Vorherige Projekte

Innovationswettbewerb Medizintechnik - Kabellose Erfassung lokaler Feldpotentiale und elektrische Stimulation der Großhirnrinde für medizinische Diagnostik und Neuroprothetik (Kalomed)

Im Jahr 2009 förderte das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) das Projekt "Innovationswettbewerb Medizintechnik - Kabellose Erfassung lokaler Feldpotentiale und elektrische Stimulation der Großhirnrinde für medizinische Diagnostik und Neuroprothetik" (kurz Kalomed). Klaus Pawelzik war Koordinator dieses Verbundprojektes. Beteiligt an diesem Verbundprojekt waren die Gruppen von Andreas Kreiter, Walter Lang, Steffen Paul und Martin Schneider von der Universität Bremen sowie die Gruppe von Christian Elger (Epileptologie, Universität Bonn) und die Firma Brain Products.

Ein Problem für neurotechnologische Anwendungen ist es, die neuronalen Aktivitätsmuster in hoher räumlicher Dichte über einen langen Zeitraum (etwa ein Leben lang) zu erfassen.  Um die geforderte räumliche und zeitliche Auflösung zu erreichen, ist es notwendig, dass die Elektroden (Schnittstelle zwischen Aufzeichnungssystem und neuronalem Substrat) so nah wie möglich an den neuronalen Schaltkreisen platziert werden. Die Elektroden müssen mindestens unter dem Schädel des Patienten platziert werden. Hieraus ergibt sich ein Problem: Wie können die implantierten Elektroden an ein externes Aufzeichnungssystem angeschlossen werden? Kabel als Konnektoren sind problematisch, weil sie durch den Knochen verlaufen und Kanäle schaffen, durch die Bakterien in den Kopf des Patienten gelangen können. Dies birgt ein hohes Risiko für eine Infektion. Außerdem erzeugen die Kabel, die aus dem Körper austreten, ein zusätzliches hohes mechanisches Risiko. Wenn die Kabel stecken bleiben und daran gezogen wird, kann dies zu schweren Verletzungen führen. 

Ziel dieses Projektes war die Entwicklung eines vollständig implantierbaren drahtlosen Aufzeichnungssystems. Die Idee ist, ein sehr kleines System zu entwickeln, das sowohl drahtlos Energie sammelt als auch drahtlos mit der Außenwelt kommuniziert und nicht die Probleme eines Systems mit Kabeln aufweist.

SPP1665 - Priority Programme: Resolving and Manipulating Neuronal Networks in the Mammalian Brain - from Correlative to Causal Analysis

Interareal phase coherence as a mechanism for attention-dependent neuronal signal routing: A model-guided causal analysis using new, multi-contact floating silicon probes for intracortical chronic stimulation and recording in primates

Prof. Dr. Andreas Kreiter
Dr. Udo Ernst
Prof. Dr. Walter Lang

Das Gehirn besteht aus großen neuronalen Netzwerken, die dicht miteinander verschaltet sind. Je nach Kontext, Aufgabe und selektiver Aufmerksamkeit werden Teilnetzwerke so selektiert, dass bestimmte Berechnungen durchgeführt werden, die letztlich zu einer entsprechenden Verhaltensleistung führen. Auf diese Weise werden sensorische Signale selektiv durch das Gehirn geschleust. Letzteres ist im visuellen System bei der selektiven Aufmerksamkeit besonders deutlich. In höheren Arealen des visuellen Kortex wie V4 wurde gezeigt, dass die Antworten von Neuronen mit mehreren Reizen in ihren rezeptiven Feldern ähnlich sind, als ob nur der beachtete Reiz vorhanden wäre. Nicht zuletzt haben wir in einem kürzlich durchgeführten Experiment verhaltensneutrale zufällige Modulationen des Reizkontrastes als direkte Methode eingesetzt, um die Eigenschaften der Signalweiterleitung durch Aufmerksamkeit in visuellen Arealen zu untersuchen. Insbesondere fanden wir heraus, dass die Aufmerksamkeit den Beitrag der nicht-beobachteten Reize zu den Antworten in V4 unterdrückt, während sie einen spezifischen, frequenzbegrenzten Kanal für den beobachteten Ort öffnet.

Diese Befunde stellen zusammen eine Herausforderung für unser Verständnis der Gating-Mechanismen im Gehirn dar. Während die oben genannten experimentellen Ergebnisse mit der Hypothese übereinstimmen, dass kohärente Oszillationen der selektiven Weiterleitung von Informationen durch den Kortex zugrunde liegen könnten, gibt es noch kein Modell, das alle relevanten experimentellen Ergebnisse erfasst und integriert. Insbesondere ist noch nicht geklärt, ob die Synchronisation tatsächlich kausal am Gating-Mechanismus beteiligt ist oder eher ein Epiphänomen, das eine erhöhte Kopplung widerspiegelt.

In diesem Projekt schließen wir uns als Neurobiologen, Theoretiker und Ingenieure zusammen, um diese Fragen anzugehen. Um den experimentellen Zugang und die Kontrolle über die zu untersuchenden Netzwerke zu verbessern, werden wir parallel dazu ein vollständig implantierbares, praktisch kräftefrei schwimmendes Multikontakt-Elektrodennadel-Array für die chronische intrakortikale Aufzeichnung und Stimulation im Primatenkortex entwickeln, testen und einsetzen. Dies wird hochauflösende elektrische und visuelle Stimulation als kausale Instrumente ermöglichen, um Mechanismen direkt zu manipulieren, die mutmaßlich der aufmerksamkeitsabhängigen selektiven Verarbeitung von verhaltensrelevanten Eingangssignalen sowie der effektiven Unterdrückung von verhaltensirrelevanten Signalen zugrunde liegen. Es werden neue Werkzeuge und Methoden etabliert, um verschiedene Aspekte der Dynamik der kortikalen Netzwerke während der aufmerksamkeitsabhängigen Verarbeitung von visuellen Reizen durch elektrische Stimulation direkt zu beeinflussen. Gleichzeitig können die geschalteten Signalkanäle durch aufgabenirrelevante Kontrastmodulationen kontinuierlich charakterisiert werden. Dies wird uns erlauben, die Hypothese kritisch zu prüfen, dass die Gamma-Band-Synchronisation als Gating-Mechanismus für die aufmerksamkeitsabhängige Informationsweiterleitung dient. Darüber hinaus werden die Ergebnisse dazu dienen, die grundlegenden dynamischen Eigenschaften des Netzwerks zu charakterisieren und realistische Modelle für die vorgeschlagenen Routing-Mechanismen zu erstellen.

Creative Unit "I-See"

Prof. Dr. Walter Lang
Prof. Dr. Steffen Paul
Prof. Dr. Andreas Kreiter
Prof. Dr. Klaus Pawelzik

Hauptziel der Creative Unit (CU) I-See war die Entwicklung einer kortikalen Sehprothese. Dazu untersuchten die Forscher der CU die neurobiologischen Grundlagen der Einspeisung elementarer visueller Informationen in den visuellen Kortex in Richtung des Designs eines komplett kabellosen Implantats. Die CU wurde von 2013 bis 2017 gefördert.

Das angedachte Implantat hat ein hochflexibles Oberflächenelektroden-Array mit ca. 400 Elektroden. Das Layout ist auf die funktionelle Anatomie des visuellen Kortex und einen guten Kontakt zwischen Elektroden und Hirngewebe optimiert. Die auf der Rückseite der Matte integrierten elektronischen Schaltungen messen epikortikale Feldpotentiale mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung und übertragen diese an eine externe Basisstation. Darüber hinaus kann das Gerät komplexe räumlich-zeitliche Muster zur elektrischen Stimulation erzeugen. Die Energieversorgung erfolgt über eine induktive Verbindung und die Daten werden drahtlos über Funkfrequenzen übertragen. Ein wichtiges Ziel war es, eine langzeitstabile Versiegelung zu entwickeln.

Die neurobiologischen Untersuchungen zielten auf eine Verifizierung der Funktionalität des Implantats, die Entwicklung von Modellen zur Vorhersage optimaler elektrischer Stimuli und die Charakterisierung der durch elektrische Stimulation induzierten visuellen Wahrnehmungen. Das Projekt basiert auf umfangreichen und gemeinsamen Vorarbeiten seiner Mitglieder, die in verschiedenen Konstellationen durchgeführt wurden.