Erforschung des Gehirns und des peripheren Nervensystems

Das Gehirn ist mit seinen 86 Milliarden Neuronen, die miteinander über rund 150 Billionen Verknüpfungen kommunizieren, das komplexeste Organ, das wir kennen.  Bis heute sind seine vielfältigen Funktionen sind bei weitem noch nicht verstanden.

Seine Fehlfunktionen verursachen jedoch bereits heute ca. ein Drittel der Gesundheitskosten in der entwickelten Welt – mit steigender Tendenz. Um diesem Problem zu begegnen, ist es unabdinglich, die Funktionsweise des Gehirns weiter zu erforschen.

Neurotechnologische Instrumente wie Elektroden oder aktive Komplett-Systeme zur Ableitung und Stimulation ermöglichen die Interaktion mit Gehirn und Nervensystem. Sie tragen dazu bei, tiefere Erkenntnisse über deren Funktionsweise zu erlangen und mögliche therapeutische Anwendungen zu erforschen.

Die neuere Forschung hat – unter anderem mit Hilfe von hochaufgelösten °AirRay Grid-Elektroden – bereits gezeigt, dass die funktionale Gliederung der Großhirnrinde weitaus feiner strukturiert ist, als Befunde basierend auf bisherigen Technologien ergeben haben ( Wang et al., 2017; Gierthmuehlen et al., 2014). Das Wissen darüber, welche Hirnareale an welchen Körperfunktionen beteiligt sind, ist beispielsweise essentiell für Planung von operativen Eingriffen am Gehirn.

Vielversprechende Ergebnisse liegen bereits aus dem noch jungen Forschungsfeld für bioelektronische Medizin (Link zu Anwendung Bioelektronische Medizin) vor. Hier wird über eine direkte Ansprache einzelner Nerven beispielsweise mithilfe von °AirRay Cuff Elektroden versucht, Krankheiten möglichst nahe am Entstehungsort zu therapieren.

Closed-Loop Interaktionen mit dem Gehirn wurden unter anderem mit CorTec Brain Interchange bereits erfolgreich getestet (Kohler et al., 2017).  Studien mit anderen Closed-Loop Technologien haben gezeigt, dass die Verschaltungen des Gehirns durch Closed-Loop Interaktionen verändert werden können (z.B. Zanos et al., 2018), was z.B. für die Wiederherstellung von Körperfunktionen nach Schädigungen des Nervensystems ausgenutzt werden kann (z.B. Ganzer et al., 2018).

Die °AirRay Grid Elektroden von CorTec bieten neuartige Optionen, die elektrische Aktivität von größeren Teilen des Gehirns abzuleiten wie auch zu stimulieren, ohne dabei in das empfindliche Hirngewebe einzudringen. Die Elektrodenkontakte liegen auf der Oberfläche des Gehirngewebes auf und ermöglichen eine gebündelte Kommunikation mit den darunterliegenden lokalen Gruppen von Nervenzellen.

Die Produkt-Variante der °AirRay Micro Cuff Elektroden ist speziell darauf ausgerichtet, Nerven manschettenartig zu umschließen, ohne Druck auf den Nerv auszuüben. Sie können zur Ableitung, Stimulation oder zum Blocken von Nerven genutzt werden und dehnen so die Möglichkeiten der Forschung auf eine schonende Interaktion mit dem peripheren Nervensystem aus. Dies eröffnet zugleich neue Anwendungsmöglichkeiten für Erkrankungen im Bereich der Bioelektronischen Medizin.

Die °AirRay Elektroden Technologie von CorTec ermöglicht es, Elektroden in einer hohen Dichte an Kontakten sowie in individualisierten und miniaturisierten Formen herzustellen. Damit unterstützen sie eine genauere Untersuchung neuronaler Funktionen als sie mit bisherigen Elektroden möglich war.

Die Kombination der °AirRay Elektroden mit dem Brain Interchange System bietet zum einen die Option, Gehirn-Computer-Schnittstellen für spätere klinische Anwendungen, z.B. als Assistenzsysteme für gelähmte Menschen  zu erforschen.

Zum anderen lassen sich mit diesem System langfristige Closed-Loop Interaktionen mit dem Nervensystem untersuchen und weiterentwickeln: Die Technologie ist in der Lage, auf den momentanen physiologischen Zustand des Patienten zu reagieren und ihre Aktivitäten jederzeit darauf anzupassen. Dies kann für eine Vielzahl an Therapien wie bspw.  von Parkinson oder in der Epilepsie-Intervention von Vorteil sein.

Weiterführende Links und Literatur

Allgemeinverständliche Hintergrund-Literatur

Fachliteratur

Miniature electroparticle-cuff for wireless peripheral neuromodulation
Hernandez-Reynoso, Ana G. et al.; J. Neural Eng. 2019 16 046002

 

Identification of hypoglycemia-specific neural signals by decoding murine vagus nerve activity
Masi, Emiliy Battinelli et al.; Bioelectronic Medicine (2019) 5:9

 

Signal quality of simultaneously recorded endovascular, subdural and epidural signals are comparable
John, Sam E. et al.; Scientific Reports (2018) 8:8427

 

Bioelectronic modulation of carotid sinus nerve activity in the rat: a potential therapeutic approach for type 2 diabetes
Sacramento, J.F., Chew, D.J., Melo, B.F. et al.; Diabetologia (2018) 61: 700. https://doi.org/10.1007/s00125-017-4533-7

 

Mapping the fine structure of cortical activity with different micro-ECoG electrode array geometries.
Wang X, Gkogkidis A, Iljina O, Fiederer L, Henle C, Mader I, Kaminsky J, Stieglitz T, Gierthmuehlen M, Ball T.
J Neural Eng. 2017 Jun 9. doi: 10.1088/1741-2552/aa785e. [Epub ahead of print]

 

Mapping of sheep sensory cortex with a novel microelectrocorticography grid.
Gierthmuehlen M, Wang X, Gkogkidis A, Henle C, Fischer J, Fehrenbacher T, Kohler F, Raab M, Mader I, Kuehn C, Foerster K, Haberstroh J, Freiman TM, Stieglitz T, Rickert J, Schuettler M, Ball T.
J Comp Neurol. 2014 Nov 1;522(16):3590-608. doi: 10.1002/cne.23631. Epub 2014 Jun 16.

 

Evaluation of μECoG electrode arrays in the minipig: experimental procedure and neurosurgical approach.
Gierthmuehlen M, Ball T, Henle C, Wang X, Rickert J, Raab M, Freiman T, Stieglitz T, Kaminsky J.
J Neurosci Methods. 2011 Oct 30;202(1):77-86. doi: 10.1016/j.jneumeth.2011.08.021. Epub 2011 Aug 30.

 

First long term in vivo study on subdurally implanted micro-ECoG electrodes, manufactured with a novel laser technology.
Henle C, Raab M, Cordeiro JG, Doostkam S, Schulze-Bonhage A, Stieglitz T, Rickert J.
Biomed Microdevices. 2011 Feb;13(1):59-68. doi: 10.1007/s10544-010-9471-9.

 

Closed-loop interaction with the cerebral cortex: a review of wireless implant technology
Fabian Kohler, C. Alexis Gkogkidis, Christian Bentler, Xi Wang, Mortimer Gierthmuehlen , Joerg Fischer, Christian Stolle, Leonhard M. Reindl, Joern Rickert, Thomas Stieglitz, Tonio Ball & Martin Schuettler (2017); Brain-Computer Interfaces, 4:3, 146-154, DOI:10.1080/2326263X.2017.1338011

 

Phase-Locked Stimulation during Cortical Beta Oscillations Produces Bidirectional Synaptic Plasticity in Awake Monkeys.
Zanos S, Rembado I, Chen D, Fetz EE; Curr Biol. 2018 Aug 3. pii: S0960-9822(18)30908-4. doi: 10.1016/j.cub.2018.07.009. [Epub ahead of print]

 

Closed-loop interaction with the cerebral cortex using a novel micro-ECoG-based implant: the impact of beta vs. gamma stimulation frequencies on cortico-cortical spectral responses.
Gkogkidis, Alexis C, et al.; Brain-Computer Interfaces (2017), 4:4, 214-224

 

First long term in vivo study on subdurally implanted Micro-ECoG electrodes, manufactured with a novel laser technology
Henle C, Raab M, Doostkam S, Cordeiro J, Schulze-Bonhage A, Stieglitz T, Rickert J (2010)
Biomedical Microdevices (in press) DOI: 10.1007/s10544-010-9471-9

 

Closed-loop neuromodulation restores network connectivity and motor control after spinal cord injury.
Ganzer PD, Darrow MJ, Meyers EC, Solorzano BR, Ruiz AD, Robertson NM, Adcock KS, James JT, Jeong HS, Becker AM, Goldberg MP, Pruitt DT, Hays SA, Kilgard MP, Rennaker RL 2nd.Elife. 2018 Mar 13;7. pii: e32058. doi: 10.7554/eLife.32058.