Besser erinnern: Gehirnelektroden könnten Menschen mit Gehirnschäden helfen
(Bild: vs148/Shutterstock.com)
Elektroden, die den Hippocampus nachahmen sollen, scheinen die Erinnerungsspeicherung zu verbessern. Bei schlechtem Gedächtnis sind sie doppelt so effektiv.
Eine einzigartige Form der Hirnstimulation scheint die Fähigkeit von Menschen zu verbessern, sich neue Informationen zu merken. Die sogenannte Gedächtnisprothese scheint dabei auch Menschen mit Gedächtnisstörungen zu helfen. In Zukunft könnten fortschrittlichere Versionen der Gedächtnisprothese Menschen, die aufgrund von Hirnverletzungen, Altern oder degenerative Krankheiten wie Alzheimer Gedächtnisverluste erlitten haben, helfen, sagen Forscher um den Neurowissenschaftler Rob Hampson von der Wake Forest University School of Medicine in North Carolina.
Die Gedächtnisprothese ahmt die Art und Weise nach, wie das Gehirn Erinnerungen erzeugt. Genauer gesagt bildet sie Vorgänge im Hippocampus nach. Diese Seepferdchen-förmige Region tief im Gehirn spielt eine entscheidende Rolle beim Gedächtnis. Sie hilft nicht nur bei der Bildung von Kurzzeitgedächtnissen, sondern scheint auch Erinnerungen zur Langzeitspeicherung in andere Regionen zu leiten.
Das Gedächtnis imitieren
Seit mehr als zehn Jahren arbeiten Theodore Berger [1] und Dong Song von der University of Southern California mit Kollegen daran, diesen Prozess zu imitieren. Sie versuchen, mit Hilfe von Gehirnelektroden die elektrischen Aktivitätsmuster zu verstehen, die bei der Kodierung von Erinnerungen auftreten. Ihre Idee: dieselben Elektroden zu verwenden, um ähnliche Aktivitätsmuster abzufeuern.
Um herauszufinden, ob die Methode Menschen mit Gedächtnisschwäche helfen könnte, testeten Berger und Hampson mit Kollegen zwei Versionen der Gedächtnisprothese an 24 Probanden. Ihnen waren zur Untersuchung ihrer Epilepsie bereits Elektroden implantiert worden. Einige von ihnen hatten auch Hirnverletzungen.
Die erste Version namens Gedächtnis-Dekodierungsmodell (memory decoding model oder kurz MDM) ahmt die Muster der elektrischen Aktivität im Hippocampus nach, die auf natürliche Weise auftreten, wenn jeder Proband erfolgreich Erinnerungen bildet. Das MDM-Modell nimmt einen Durchschnitt dieser Muster für jedes Individuum und feuert dann dieses Muster der elektrischen Stimulation ab.
Der zweite Typ mit dem Namen Multi-Input-Multi-Output (MIMO) ahmt die Funktionsweise des Hippocampus genauer nach. In einem gesunden Hippocampus fließt die elektrische Aktivität von einer Schicht zur anderen, bevor sie sich auf andere Gehirnregionen ausbreitet. Das MIMO-Modell basiert auf dem Erlernen der Muster elektrischer Ein- und Ausgänge, die mit der Gedächtniskodierung korrespondieren, und ahmt diese dann nach.
Tests für das Kurzzeitgedächtnis
Um zu testen, wie gut jedes der Modelle funktioniert, baten Hampson und seine Kollegen die Freiwilligen, an Gedächtnistests teilzunehmen. Bei diesen Tests wurde jeder Person ein Bild auf einem Computerbildschirm gezeigt. Nach einer Verzögerung wurde dasselbe Bild erneut gezeigt, zusammen mit einer Auswahl anderer Bilder. Die Person musste sich entscheiden, welches das bereits gezeigte Bild war. Jeder Proband absolvierte etwa 100 bis 150 dieser kurzen Aufgaben, mit denen das Kurzzeitgedächtnis einer Person getestet werden soll.
Zwischen 15 und 90 Minuten später unterzog sich jede Person einem zweiten Test. Diesmal wurden ihnen jeweils drei Bilder gezeigt, von denen sie das auswählen sollte, das ihr am bekanntesten vorkam. Dieser Test gibt Aufschluss über das Langzeitgedächtnis einer Person.
Die Probanden führten beide Gedächtnistests zweimal durch: einmal zur Aufzeichnung des Hippocampus und einmal zur Stimulierung der aufgezeichneten Muster, die mit erfolgreich gespeicherten Erinnerungen verbunden sind. Die Aufzeichnungen waren einzigartig, sagt Hampson: "Bisher haben wir festgestellt, dass es bei jeder Person anders ist."
Das Team fand heraus, dass die Gedächtnisprothese die Leistungen der Probanden bei Gedächtnistests verbesserte. Ihre Ergebnisse waren deutlich höher, wenn sie bei der ersten Präsentation der Bilder das richtige Stimulationsmuster erhalten hatten. Dies deutet darauf hin, dass die Gedächtnisprothese dazu beitragen kann, Erinnerungen im Gehirn zu kodieren, sagen die Forscher. "Wir stellen Verbesserungen zwischen elf und 54 Prozent fest", sagt Hampson.
"Diese Art der Personalisierung von Hirnstimulationen ist eine wirklich wichtige Sache", sagt Josh Jacobs von der Columbia University. Er untersucht ebenfalls Hirnaufzeichnungen von Menschen mit Epilepsie, war aber nicht an der aktuellen Forschung beteiligt.
Größte Verbesserung bei zuvor schlechtester Gedächtnisleistung
Bisher haben Ärzte und Wissenschaftler einige Erfolge bei der Behandlung von Krankheiten wie der Parkinson-Krankheit erzielt, indem sie einfach bei allen Personen auf dieselbe Gehirnregion abzielten. "Aber die einzelnen Menschen reagieren sehr unterschiedlich", sagt Jacobs. Durch die Anpassung der Stimulation an das individuelle Gehirn kann die Wirkung wahrscheinlich verbessert werden, meint er.
Das MIMO-Modell, das die Funktionsweise des Hippocampus besser widerspiegelt, erzielte im Durchschnitt sogar noch bessere Ergebnisse. Aber die größten Verbesserungen wurden bei Personen festgestellt, die zu Beginn des Experiments die schlechteste Gedächtnisleistung hatten. Die Forscher sind sich nicht sicher, warum das so ist. Es könnte daran liegen, dass es "mehr Raum für Verbesserungen" gibt, sagt Hampson.
Bei allen Probanden wurden die Elektroden nach einigen Wochen wieder entfernt, nachdem die Ärzte die Untersuchungen zu ihrer Epilepsie abgeschlossen hatten. Song hofft jedoch, dass die Verbesserung des Gedächtnisses von Dauer sein wird. Theoretisch könnte die Stimulation, die jede Person erhielt, die Verdrahtung der Neuronen im Hippocampus gestärkt haben, sagt er: "Wir wissen es nicht genau, aber wir hoffen es."
Das Gedächtnis wiederherstellen
Song, Hampson und ihre Kollegen, die ihre Ergebnisse im Juli in der Fachzeitschrift Frontiers in Human Neuroscience veröffentlicht haben, hoffen, dass ihre Gedächtnisprothese eines Tages auf breiter Front zur Wiederherstellung des Gedächtnisses bei Menschen mit Gedächtnisstörungen [2] eingesetzt werden könnte.
"Patienten mit Hirnverletzungen wären die ersten [Kandidaten]", sagt Song. Solche Verletzungen betreffen meist bestimmte Regionen des Gehirns. Verletzungen des Hippocampus wären leichter zu behandeln als degenerative Krankheiten wie Alzheimer, bei denen in der Regel viele Hirnregionen geschädigt sind.
"Ich halte es für möglich, dass wir eines Tages einen Hippocampus durch etwas anderes ersetzen können", sagt Jacobs. Er weist jedoch darauf hin, dass es nicht leicht sein wird, einen gesunden Hippocampus vollständig nachzubilden, da die Struktur Dutzende Millionen von Neuronen enthält. "Es ist etwas schwierig, sich vorzustellen, wie eine Handvoll Elektroden die Millionen von Neuronen im Hippocampus ersetzen könnte", sagt er.
Die in der Studie verwendeten Elektroden sind etwa einen Millimeter breit und wurden bei allen Probanden tief genug ins Gehirn implantiert, um den Hippocampus zu erreichen, also etwa zehn Zentimeter tief. Nach modernen Forschungsstandards sind sie ziemlich grob und können nur etwa 40 bis 100 Neuronen aufzeichnen, sagt Song. Jede Gedächtnisprothese, die zur Behandlung von Gedächtnisstörungen entwickelt werden soll, benötigt Gehirnelektroden mit Hunderten von Kontaktpunkten, damit sie Hunderte oder Tausende von Neuronen aufzeichnen und stimulieren können, sagt er.
Was ist erinnerungswürdig?
Hampson, Song und ihre Kollegen haben noch nicht ausgearbeitet, wie die Gedächtnisprothese in der Praxis funktionieren könnte. Es könnte zum Beispiel nicht sinnvoll sein, das Gerät ständig laufen zu lassen. Es gibt viele Lebenserfahrungen, wie zum Beispiel den Müll rauszubringen, an die sich Menschen mit Gedächtnisstörungen nicht erinnern müssen. "Warum den [Gehirn-]Platz verschwenden?" sagt Jacobs.
Song zufolge könnte die Prothese zusammen mit einer Art Gerät eingesetzt werden, das erkennt, ob das Gerät laufen muss oder nicht. Zum Beispiel, indem es detektiert, wann das Gehirn in einen lernbereiten Zustand versetzt werden muss. Dabei stellt sich die Frage, ob eine Gedächtnisprothese über Nacht laufen sollte. Die Wissenschaft geht davon aus, dass der Hippocampus im Schlaf einige der tagsüber kodierten Erinnerungen erneut abruft, um sie in anderen Hirnregionen zu konsolidieren. Song und seine Kollegen wissen nicht, ob eine Gedächtnisprothese, die diese Wiederholung nachahmt, das Gedächtnis verbessern würde, oder ob es überhaupt sinnvoll ist, den Hippocampus im Schlaf zu stimulieren.
"Es ist ein Blick in die Zukunft dessen, was wir tun können, um das Gedächtnis wiederherzustellen", sagt Kim Shapiro, ein Neurowissenschaftler an der Universität Birmingham im Vereinigten Königreich, der nicht an der Forschung beteiligt war. Noch sei die Prothese noch weit von einer klinischen Anwendung entfernt. "Ich denke, dass sie im Prinzip funktionieren könnte", sagt er. "Aber wir haben noch einen weiten Weg vor uns, bis wir genug über das Gedächtnis wissen, um mit dieser Art von Ansatz die Funktion des Hippocampus ersetzen zu können."
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Links in diesem Artikel:
[1] https://www.heise.de/hintergrund/Schrittmacher-fuers-Gedaechtnis-2092798.html
[2] https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnhum.2022.933401/full
[3] https://www.heise.de/tr/
[4] https://www.heise.de/hintergrund/Wir-sagen-dir-woran-du-dich-erinnerst-3813161.html
[5] https://www.heise.de/hintergrund/Hirnforschung-Upload-nicht-moeglich-6006073.html
[6] https://www.heise.de/hintergrund/Auf-der-Suche-nach-dem-Gedaechtnis-4116064.html
[7] mailto:office@technology-review.de
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