Erinnerungen sind heikel. Ich bin in den letzten drei Wochen durch Atlantik-Kanada gereist, und schon jetzt stimmt meine Erinnerung an die Reise – Daten, Orte, Speisen, Abenteuer – nicht mehr mit den Pins auf Google Maps oder den Tagebucheinträgen überein. Mein Gehirn lernte neue Erfahrungen und verschlüsselte Erinnerungen – nur nicht stark genug, um auch nur eine Woche durchzuhalten.
Die Gedächtnisleistung wird mit zunehmendem Alter schlechter. Für Menschen mit Hirnverletzungen, wie z. B. durch einen Schlaganfall oder ein körperliches Trauma des Gehirns, kann die Beeinträchtigung äußerst schwächend sein. Was wäre, wenn es einen Weg gäbe, die Fähigkeit des Gehirns, Erinnerungen zu behalten, künstlich zu steigern?
Die Idee klingt wie ein Black Mirror Folge anschauen. Aber diesen Monat eine neue Studie in Grenzen in der menschlichen Neurowissenschaft lieferten einige der ersten Beweise dafür, dass eine „Gedächtnisprothese“ beim Menschen möglich ist. Die Prothese ist kein Gerät; Vielmehr handelt es sich um eine Reihe von Elektroden, die in den Hippocampus implantiert sind – eine tief im Gehirn vergrabene Struktur, die für episodische Erinnerungen von entscheidender Bedeutung ist –, die das Wann, Wo und Was unserer täglichen Erfahrungen kodiert.
Das Setup basiert auf einer völlig unromantischen Sicht auf die Erinnerung. Anstelle der Wellen von reichen, detaillierten, emotionale Erinnerungen die unser Gehirn überfluten, hält sie fest, dass Erinnerungen einfach elektrische Signale sind, die von einer gut regulierten neuronalen Autobahn im Hippocampus erzeugt werden. Wenn wir diese Signale erfassen können, während eine Person lernt, könnten wir die Aufzeichnungen theoretisch in Form von elektrischen Zaps an das Gehirn zurückspielen und möglicherweise dieses bestimmte Gedächtnis stärken.
Das Team baute auf seiner früheren Arbeit zur Konstruktion von Gedächtnisprothetik auf. Bei Menschen mit Epilepsie zeigten sie, dass durch die Wiedereinführung neuronaler Signale, die eine Art von Gedächtnis in einer bestimmten Aufgabe kodieren, die Zaps die Erinnerung um über 50 Prozent steigerten.
Die Studie umfasste eine kleine Kohorte. Aber unglaublicherweise zeigten diejenigen, die unter früherem Gedächtnisverlust litten, die besten Verbesserungen.
Um es klarzustellen, das Team hat keine Videokamera für die Erinnerung entwickelt. Das System ahmt teilweise den normalen Prozess des Hippocampus für die Kodierung und den Abruf von Erinnerungen nach, der notorisch subjektiv und etwas unzuverlässig sein kann. Eine ähnliche Gedächtnisprothese funktioniert möglicherweise nicht gut in der realen Welt, wo wir ständig mit neuen Erfahrungen bombardiert werden und Erinnerungen.
Die Studie zeigt jedoch einen Weg auf, Menschen mit Demenz, Alzheimer oder anderen Ursachen von Gedächtnisverlust zu helfen, Ausschnitte aus ihrem Leben zu behalten, die andernfalls verloren gehen könnten.
„Es ist ein Blick in die Zukunft dessen, was wir möglicherweise tun können, um das Gedächtnis wiederherzustellen.“ sagte Dr. Kim Shapiro von der University of Birmingham, der nicht an der Studie beteiligt war, an MIT Technology Review.
Wie funktioniert es?
Es läuft alles auf die elektrischen Impulse rund um den Hippocampus und in ihm hinaus.
Zoomen wir hinein. Der Hippocampus, eine seepferdchenförmige Struktur, wird oft als monolithischer Knotenpunkt für Erinnerungen beschrieben. Aber – fügen Sie eine Lebensmittelanalogie ein – anstatt eines einheitlichen Käseblocks ähnelt es eher einem mehrschichtigen Käsedip, bei dem elektrische Impulse durch verschiedene Schichten fließen, während es Erinnerungen kodiert, speichert und wieder abruft.
Für die Gedächtnisprothese konzentrierte sich das Team auf zwei spezifische Regionen: CA1 und CA3, die einen stark miteinander verbundenen neuronalen Schaltkreis bilden. Jahrzehntelange Arbeit mit Nagetieren, Primaten und Menschen hat gezeigt, dass diese neuronale Autobahn der Schlüssel zum Kodieren von Erinnerungen ist.
Die Teammitglieder unter der Leitung von Dr. Dong Song von der University of Southern California und Robert Hampson von der Wake Forest School of Medicine sind keine Unbekannten in Sachen Gedächtnisprothetik. Mit dem „Gedächtnis-Bioingenieur“ Dr. Theodore Berger – der seit über drei Jahrzehnten an der Entführung des CA3-CA1-Schaltkreises zur Verbesserung des Gedächtnisses arbeitet – hatte das Dreamteam 2015 seinen ersten Erfolg beim Menschen.
Die zentrale Idee ist einfach: Replizieren Sie die Signale des Hippocampus mit einem digitalen Ersatz. Es ist keine leichte Aufgabe. Im Gegensatz zu Computerschaltkreisen sind neuronale Schaltkreise nichtlinear. Das bedeutet, dass Signale oft extrem verrauscht sind und sich zeitlich überlappen, was neuronale Signale verstärkt – oder hemmt. Wie Berger damals sagte: „Es ist eine chaotische Black Box.“
Um den Speichercode zu knacken, erarbeitete das Team zwei Algorithmen. Das erste, Memory Decoding Model (MDM) genannt, nimmt einen Durchschnitt der elektrischen Muster mehrerer Personen, während sie Erinnerungen bilden. Der andere, Multi-Input, Multi-Output (MIMO) genannt, ist etwas ausgefeilter, da er sowohl elektrische Eingangs- als auch Ausgangsmuster enthält – d. h. die CA3-CA1-Schaltung – und diese Signale sowohl räumlich als auch zeitlich nachahmt. Theoretisch sollte das Pulsen beider elektrischer Signale basierend auf MDM und MIMO zurück in den Hippocampus ihm einen Schub geben.
In einer Reihe von Experimenten zuerst bei Ratten und Affen, dann in gesunde Menschenstellte das Team fest, dass ihre Gedächtnisprothesen das Gedächtnis verbessern konnten, wenn neuronale Schaltkreise vorübergehend unterbrochen wurden, beispielsweise durch Medikamente. Aber verletzte Schaltkreise zu umgehen, reicht nicht aus – was sie wollten, war eine echte Gedächtnisprothese, die das konnte ersetzen der Hippocampus, wenn er beschädigt ist.
A Whole New World
Die neue Studie profitierte von einer wertvollen neurowissenschaftlichen Ressource: Menschen mit Epilepsie, denen Elektroden in gedächtnisrelevante Regionen ihres Gehirns implantiert wurden. Die Implantate, die sich tief im Gehirn befinden, helfen Neurochirurgen, die Quelle der Anfälle von Menschen aufzuspüren. Unter den 25 ausgewählten Teilnehmern zeigten einige keine anderen Symptome als Epilepsie, während andere leichte bis mittelschwere Hirnverletzungen hatten.
Hier ist der Test. Den Teilnehmern wurde ein Bild auf einem Bildschirm gezeigt, dann wurde ihnen nach einer Verzögerung dasselbe Bild mit bis zu sieben verschiedenen Alternativen gezeigt. Ihr Ziel war es, das vertraute Bild herauszupicken. Jeder Teilnehmer durchlief schnell 100-150 Versuche, bei denen seine Hippocampus-Aktivität aufgezeichnet wurde, um sein Kurzzeitgedächtnis zu erfassen.
Nach mindestens 15 Minuten wurden den Teilnehmern 3 Bilder gezeigt und sie wurden gebeten, die Vertrautheit von jedem zu bewerten. Es ist eine knifflige Aufgabe: Das eine war ein Beispielbild aus dem Prozess, das andere eine Alternative, die bekannt vorkam und noch nie zuvor gesehen wurde. Damit sollte ihr Langzeitgedächtnis erfasst werden.
Vorwärts blitzen. An einem Tag zwischen dem Entfernen der Elektroden wurden die Teilnehmer einer weiteren Runde von Gedächtnistests unterzogen, die den vorherigen ähnelten. Einige Menschen erhielten elektrische Stimulation basierend auf ihren eigenen neuronalen Signalen, die entweder vom MDM- oder MIMO-Algorithmus verarbeitet wurden. Andere wurden mit zufälligen Impulsen gezapped. Die letzte Gruppe erhielt überhaupt keine Stimulation.
Insgesamt steigerte die Stimulation des Gehirns von Menschen mit Epilepsie die Gedächtnisleistung um etwa 15 Prozent. Diejenigen, die mit MDM gepulst wurden – das die gemittelten elektrischen Signale verwendet – hatten einen mageren Anstieg von 13.8 Prozent. Im Gegensatz dazu verbesserte das MIMO-Modell, das neuronale Signale jedes Hippocampus nachahmt, ihre Leistung um 36 Prozent.
„Unabhängig von der grundlegenden Gedächtnisfunktion (beeinträchtigt vs. normal) erzeugt das MIMO-Modell mindestens die doppelte Erleichterung im Vergleich zum MDM-Modell“, sagte das Team.
Der lange Weg voraus
Obwohl vielversprechend, ist die Studie nur der nächste kleine Schritt in Richtung einer Hippocampus-Prothese. Da den Teilnehmern nach dem zweiten Test die Elektroden entfernt wurden, wissen wir nicht, ob und wie lange die Wirkung anhielt oder ob eine kontinuierliche Stimulation erforderlich ist.
Während Menschen mit Alzheimer von einer Gedächtnisprothese profitieren könnten, müssen noch viele weitere Details geklärt werden. Der Elektrodenaufbau hier ist relativ grob – wäre ein Mikroarray oder ein nicht-invasives Gerät möglich? Wenn ja, sollte das Gerät rund um die Uhr eingeschaltet sein? Schließlich erinnern wir uns nicht an alle unsere Erinnerungen – es gibt eine Art synaptische „Reinigung“, von der angenommen wird, dass sie während des Schlafs auftritt.
Noch ist die Technologie weit davon entfernt, für den klinischen Einsatz reif zu sein. Aber es ist ein kleiner Vorgeschmack auf das, was sein könnte. Zumindest zeigt die Studie, dass ähnlich wie bei einem gehirngesteuerten Prothese, ein Speicherchip ist für Menschen, die ihn am meisten brauchen, nicht unmöglich.
