Wissenschaft

Winzige Silizium-Sonden ermöglichen Vermessung des Gehirns

Forscher haben ultradünne Sonden entwickelt, mit denen sich die Aktivität Hunderter von Neuronen im Gehirn aufzeichnen lässt.

Mit über 70 Milliarden Neuronen, die steuern, wie wir denken, fühlen und uns verhalten, gilt das menschliche Gehirn als das komplexeste bekannte Objekt auf dieser Erde. Um es zu entschlüsseln, müssen Wissenschaftler in ihm Tausende einzelner Neuronen gleichzeitig messen. Dabei ist die Rechnung einfach: Je mehr Details wir über seine Funktionsweise erfahren, desto größer werden die Chancen, Krankheiten wie beispielsweise Alzheimer oder Depressionen erfolgreich zu behandeln.

„Herauszufinden, wie zahllose verteilte Neuronen zusammenarbeiten, ist ein erster Schritt, um zu verstehen, wie das Zerebrum funktioniert“, sagt der Neurowissenschaftler Matteo Carandini. „Bis vor kurzem war es möglich, entweder die Aktivität einzelner Neuronen an einem bestimmten Ort im Gehirn zu messen oder größere, regionale Aktivitätsmuster aufzudecken – aber nicht beides gleichzeitig“. Der Grund: Das bislang übliche Verfahren setzt auf die Verwendung von Drahtelektroden, die lediglich über einige Dutzend Aufzeichnungssensoren verfügen und von denen nur eine sehr begrenzte Anzahl gleichzeitig im Hirn platziert werden kann.

Silizium-Sonden erfassen Neuronen-Aktivität im gesamten Gehirn

Nun ist es einem Forscherteam allerdings gelungen, extrem dünne Silizium-Sonden zu entwickeln. Die „Neuropixels“ verfügen über 960 Aufzeichnungsstellen, die sich über das gesamte Gehirn verteilen lassen. Mit ihnen können Forscher in einem einzigen Experiment gleichzeitig mehr Neuronen erfassen als jemals zuvor. Die so gewonnen Erkenntnisse können helfen zu entschlüsseln, wie Menschen Entscheidungen treffen und Emotionen reguliert werden.

Mit den neuen Sonden können Forscher im Gehirn mehr Nervenzellen erfassen als jemals zuvor. Bild: HHMI Janelia Research Campus – Timothy Harris Lab

Die Neuropixel-Sonden sind einen Zentimeter lang, 70 mal 20 Mikrometer breit und verfügen über 100 Aufzeichnungsstellen pro Millimeter. Elektrische Signale, die sie erkennen, wandeln die Sonden automatisch in Daten um, so dass Computer diese analysieren und aus ihnen aussagekräftige Informationen über die Aktivitäten einzelner Gehirnzellen gewinnen können.

Neuropixels bald zum Selbstkostenpreis verfügbar

Andrew Welchman, Psychologieprofessor an der Universität Cambridge, zeigt sich begeistert: „Dies ist ein bedeutender Schritt auf dem Weg zu verstehen, wie das Gehirn funktioniert”. Seiner Einschätzung zufolge bewegt sich die Hirnforschung mit den neuen Sonden – bildlich gesprochen – vom Zeitalter der kleinen Schwarz-Weiß-Fernseher direkt in eine Ära von großen, hochauflösenden Flachbildschirmen. „Sie werden verändern, was wir über unser Hirn wissen und sogar die Art und Weise, wie wir über es denken. Zwar haben wir noch einen langen Weg vor uns, wenn wir die Geheimnisse des Gehirns entschlüsseln wollen – aber diese neue Technologie ist eine wichtige Entwicklung“.

400 Prototypen der Neuropixels kommen schon heute in Forschungszentren zum Einsatz. Ab dem kommenden Jahr sollen sie Wissenschaftlern auf der ganzen Welt zum Selbstkostenpreis zur Verfügung gestellt werden. Somit könnte in der Hirnforschung tatsächlich schon bald eine neue Zeitrechnung beginnen.

 

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