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Fernsteuerung der Gehirnaktivität mit erhitzten Nanopartikeln

21. Mai 2021 | Allgemein | Wissenschaft | Forschung | connectiv.events

Forscher entwickeln neue Methode zur drahtlosen Tiefenhirnstimulation.
Zwei Wissenschaftlerteams haben neue Methoden zur Stimulation von Neuronen mit Nanopartikeln entwickelt, mit denen sie Gehirnzellen aus der Ferne mit Licht oder Magnetfeldern aktivieren können. Die neuen Methoden sind schneller und weitaus weniger invasiv als andere verfügbare Hightech-Methoden und könnten daher für potenzielle neue Behandlungen menschlicher Krankheiten besser geeignet sein.

Forscher verfügen über verschiedene Methoden zur Manipulation der Hirnzellenaktivität. Die wohl leistungsfähigste ist die Optogenetik, die es ermöglicht, bestimmte Hirnzellen mit noch nie dagewesener Präzision ein- oder auszuschalten und gleichzeitig ihr Verhalten mit Lichtimpulsen aufzuzeichnen.

Dies ist sehr nützlich, um neuronale Schaltkreise und das Verhalten zu untersuchen, erfordert aber zunächst die Schaffung von genetisch veränderten Mäusen mit lichtempfindlichen Neuronen und dann das Einbringen der optischen Fasern, die das Licht in das Gehirn leiten, so dass es große technische und ethische Hindernisse für die Anwendung beim Menschen gibt.

Die Nanomedizin könnte dies umgehen. Francisco Bezanilla von der University of Chicago und seine Kollegen wussten, dass Gold-Nanopartikel Licht absorbieren und in Wärme umwandeln können, und vor einigen Jahren entdeckten sie, dass Infrarotlicht Neuronen dazu bringen kann, Nervenimpulse zu feuern, indem es ihre Zellmembranen aufheizt.

Sie brachten daher Gold-Nanostäbchen an drei verschiedene Moleküle an, die Proteine in den Zellmembranen erkennen und daran binden – das Skorpiontoxin Ts1, das an einen Natriumkanal bindet, der an der Erzeugung von Nervenimpulsen beteiligt ist, und Antikörper, die die P2X3- und TRPV1-Kanäle binden, die beide in den Neuronen des Dorsalwurzelganglions (DRG) zu finden sind, die Berührungs- und Schmerzinformationen über das Rückenmark bis ins Gehirn weiterleiten.

Die Forscher fügten diese Partikel zu DRG-Neuronen hinzu, die in Petrischalen wuchsen, so dass sie an die Zellen banden, die die entsprechenden Proteine auf ihrer Oberfläche aufwiesen. Dann bestrahlten sie die Zellen mit millisekundenlangen Impulsen sichtbaren Lichts, wodurch die Partikel erhitzt wurden und die Zellen daraufhin Nervenimpulse abfeuerten. Dies gelang nicht nur in isolierten Neuronen, sondern auch in Gewebeschnitten aus dem Hippocampus der Ratte. In beiden Situationen blieben die Partikel fest an ihrem Platz, wenn sie in geringen Konzentrationen zugegeben wurden, was eine wiederholte Stimulation der Zellen über eine halbe Stunde lang ermöglichte.
Das Team um Polina Anikeeva vom Massachusetts Institute of Technology wählte einen etwas anderen Ansatz und verwendete kugelförmige Eisenoxidpartikel, die Wärme abgeben, wenn sie einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt werden.

 

https://t1p.de/genesisprolife

 

Zunächst injizierten sie ein Virus, das das TRPV1-Gen trägt, in das ventrale Tegmentum von Mäusen, so dass die Neuronen das Virus aufnahmen und das Gen exprimierten, wodurch sie hitzeempfindlich wurden. Einen Monat später injizierten sie die Nanopartikel in denselben Teil des Gehirns und legten dann Magnetfelder an. Dadurch gaben die Nanopartikel genug Wärme ab, um die TRPV1-Kanäle zu aktivieren, wodurch die Neuronen lange Züge von Nervenimpulsen abfeuerten.

Neuronen verschlingen Eisenoxid-Nanopartikel, und die Forscher fanden heraus, dass die Partikel, die sie injizierten, im Gehirn der Tiere überdauerten, so dass sie bis zu einem Monat später weiterhin Zellen im ventralen Tegmentum aktivieren konnten und dabei weniger Gewebeschäden verursachten als implantierbare Edelstahlelektroden.

Beide Methoden sind in ihrer Spezifität recht begrenzt. Die Gold-Nanopartikel binden nur an die verschiedenen Zelltypen, die den Natriumkanal, P2X3 oder TRPV1 exprimieren, während das TRPV1-Virus und die Eisenoxidpartikel nach dem Zufallsprinzip in die Zellen rund um die Injektionsstelle gelangen. Dies ist leicht zu lösen, da Nanopartikel an so gut wie jedes Molekül konjugiert werden können, aber während beide Methoden Neuronen aktivieren können, kann keine von ihnen sie hemmen, und es ist überhaupt nicht klar, wie sie dafür optimiert werden könnten.

Nanopartikel werden bereits in anderen Bereichen eingesetzt. Sie können zum Beispiel bösartige Zellen angreifen und zerstören und sind daher vielversprechend für die Krebstherapie. In jüngster Zeit haben sich einige Forscher ihre Fähigkeit zunutze gemacht, die Blut-Hirn-Schranke zu durchdringen, und sie zur Visualisierung und Reduzierung von Schlaganfallschäden und Entzündungen bei Ratten eingesetzt.

Obwohl sie sich noch im experimentellen Stadium befinden, könnten solche Forschungen irgendwann eine drahtlose und minimal-invasive Tiefenhirnstimulation des menschlichen Gehirns ermöglichen. Bezanillas Gruppe möchte ihre Methode anwenden, um Behandlungen für Makuladegeneration und andere Erkrankungen zu entwickeln, die lichtempfindliche Zellen in der Netzhaut abtöten. Dazu müssten Nanopartikel ins Auge injiziert werden, die sich an andere Netzhautzellen binden, so dass sie durch natürliches Licht dazu angeregt werden, Impulse an den Sehnerv abzugeben.

Referenzen: Carvalho-de-Souza, J. L., et al. (2015). Photosensitivity of Neurons Enabled by Cell-Targeted Gold Nanoparticles. Neuron, DOI: 10.1016/j.neuron.2015.02.033

Chen, R., et al. (2015). Drahtlose magnetothermische Tiefenhirnstimulation. Science, DOI: 10.1126/science.1261821 [PDF]

 

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Worin besteht eigentlich der Unterschied zwischen den Natural Sound Systeme der Firma idealsound und herkömmlichen Lautsprechern? Was macht die Natural Sound Systeme so besonders?

Als erstes fällt einem das ungewöhnliche Design auf. Man sieht auf den ersten Blick, dass hier etwas „anders“ ist. Doch worin liegt nun der grundlegende technische Unterschied zu anderen Lautsprechersysteme?

Donner und Vogelgesang

Hier ist es nun wichtig, sich die Funktionsweise einer Lautsprecherbox etwas näher anzuschauen.

Bei herkömmlichen Lautsprechern wird der Schall, in einen konstruktionsbestimmten Abstrahlwinkel, nach vorne in eine Richtung abgegeben. Bei einem Stereosignal (zwei Lautsprecherboxen) sitzt der Zuhörer idealerweise dann im sogenannten Stereodreieck, was bedeutet, dass er mehr oder weniger stark oder laut „etwas“ auf die Ohren bekommt.

Ein Blick in der Natur erklärt den Unterschied

Wirft man einen Stein in ruhiges Gewässer, so wird eine gleichmäßige Wellenausbreitung sichtbar. In der Natur breitet sich zum Beispiel der Gesang eines Vogels „kugelförmig“ aus, wodurch er sehr gut und weit hörbar ist.

Die Natural Sound Systeme von idealsound erreichen nun unter zu Hilfenahme eines Campanoiden, welcher oberhalb des Breitbandlautsprechers – beziehungsweise bei den Zwei und Dreiwegesystemen zwischen dem Mittel- und Hochtöner – platziert ist. Dadurch kommt es zu einer gleichmäßigen, 360 Grad Schallabstrahlung in kugelförmiger Charakteristik.  sind Sie in der Lage, mit nur zwei Lautsprecherboxen ein dreidimensionales Klangbild zu erzeugen.

Aufgrund dieser Konstruktion wird das „natürliche Hören“, also das „Hineinhören“ in eine Klangwelt, gefördert, wodurch sich diese Systeme auch sehr gut für die therapeutische Arbeit eignen. Die Zuhörer nehmen die Musik plötzlich vollkommen anders war, da das Gehör sich zunehmend „öffnet“ und förmlich nach „Informationen“ sucht. Positioniert man sich genau zwischen zwei Natural Sound Lautsprechern, entsteht der Klangeindruck eines Surroundklangsystems. Man fühlt sich mitten drin im Klanggeschehen.

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