Hitting the Books: Könnten wir unser Gehirn dazu bringen, ein gesünderes Leben zu führen?

Deep-Hirnstimulationstherapien haben sich als unschätzbare Behandlungsoption für Patienten erwiesen, die an ansonsten schwächenden Krankheiten wie Parkinson leiden. Allerdings leiden es – und seine Geschwistertechnologie, Gehirn-Computer-Schnittstellen – derzeit an einem entscheidenden Mangel: Die Elektroden, die Elektronenimpulse in bioelektrische Signale umwandeln, passen nicht gut zum umgebenden Gehirngewebe. Und hier kommen die Leute mit den Laborkitteln und den Tintenfischen ins Spiel! In Wir sind elektrisch: Einblicke in die 200-jährige Jagd nach dem bioelektrischen Code unseres Körpers und was die Zukunft bringt, Die Autorin Sally Adee taucht in zwei Jahrhunderte der Forschung in einem oft missverstandenen und verleumdeten Zweig der wissenschaftlichen Entdeckung ein und führt die Leser von den bahnbrechenden Arbeiten von Alessandro Volta zu den lebensrettenden Anwendungen, die möglich werden könnten, sobald Ärzte lernen, direkt mit unseren Körperzellen zu kommunizieren.

Auszug aus Wir sind elektrisch: Einblicke in die 200-jährige Jagd nach dem bioelektrischen Code unseres Körpers und was die Zukunft bringt von Sally Adee. Copyright © 2023. Erhältlich bei Hachette Books, einem Imprint der Hachette Book Group, Inc.

Verloren in der Übersetzung

„Es gibt eine grundlegende Asymmetrie zwischen den Geräten, die unsere Informationsökonomie antreiben, und den Geweben im Nervensystem“, sagte Bettinger Der Rand im Jahr 2018. „Ihr Handy und Ihr Computer verwenden Elektronen und leiten sie als grundlegende Informationseinheit hin und her. Neuronen verwenden jedoch Ionen wie Natrium und Kalium. Das ist wichtig, denn um eine einfache Analogie zu machen, bedeutet das, dass man die Sprache übersetzen muss.“

„Eine der Fehlbezeichnungen auf diesem Gebiet ist tatsächlich, dass ich Strom durch diese Elektroden injiziere“, erklärt Kip Ludwig. “Nicht, wenn ich es richtig mache, tue ich es nicht.” Die Elektronen, die über einen Platin- oder Titandraht zum Implantat wandern, gelangen nie in Ihr Gehirngewebe. Stattdessen richten sie sich auf der Elektrode aus. Dies erzeugt eine negative Ladung, die Ionen aus den umliegenden Neuronen zieht. „Wenn ich dem Gewebe genügend Ionen entziehe, öffne ich spannungsgesteuerte Ionenkanäle“, sagt Ludwig. Das kann – muss aber nicht immer – ein Nervenfeuer zu einem Aktionspotential machen. Nerven zum Feuern bringen. Das ist es – das ist Ihre einzige Bewegung.

Es mag kontraintuitiv erscheinen: Das Nervensystem wird mit Aktionspotentialen betrieben, warum sollte es also nicht funktionieren, einfach zu versuchen, unsere eigenen Aktionspotentiale auf die des Gehirns zu schreiben? Das Problem ist, dass unsere Versuche, Aktionspotentiale zu schreiben, unglaublich ungeschickt sein können, sagt Ludwig. Sie tun nicht immer das, was wir denken. Zum einen sind unsere Werkzeuge bei weitem nicht präzise genug, um nur genau die Neuronen zu treffen, die wir zu stimulieren versuchen. Das Implantat sitzt also inmitten einer Reihe verschiedener Zellen und fegt mit seinem elektrischen Feld nicht verwandte Neuronen auf und aktiviert sie. Erinnern Sie sich, wie ich sagte, dass Glia traditionell als das Hausmeisterpersonal des Gehirns angesehen werden? Nun, in jüngerer Zeit stellte sich heraus, dass sie auch Informationen verarbeiten – und unsere ungeschickten Elektroden werden sie auch mit unbekannten Effekten abfeuern. „Das ist, als würde man den Stöpsel an der Badewanne ziehen und nur versuchen, eines von drei Spielzeugbooten im Badewasser zu bewegen“, sagt Ludwig. Und selbst wenn wir es schaffen, die Neuronen zu treffen, die wir versuchen, gibt es keine Garantie dafür, dass die Stimulation sie an der richtigen Stelle trifft.

Um Elektroceuticals in die Medizin zu bringen, brauchen wir wirklich bessere Techniken, um mit Zellen zu sprechen. Wenn die Elektron-zu-Ionen-Sprachbarriere ein Hindernis für die Kommunikation mit Neuronen ist, ist sie ein absoluter Nichtstarter für Zellen, die keine Aktionspotentiale verwenden, wie diejenigen, auf die wir mit elektrischen Interventionen der nächsten Generation abzielen möchten, einschließlich Hautzellen, Knochenzellen und der Rest. Wenn wir die Membranspannung von Krebszellen kontrollieren wollen, um sie wieder zum normalen Verhalten zu bringen; wenn wir den Wundstrom in Haut- oder Knochenzellen anstupsen wollen; wenn wir das Schicksal einer Stammzelle kontrollieren wollen – nichts davon ist mit unserem einzigen Werkzeug zu erreichen, ein Nervenfeuer in ein Aktionspotential zu verwandeln. Wir brauchen einen größeren Werkzeugkasten. Glücklicherweise ist dies das Ziel für ein schnell wachsendes Forschungsgebiet, das darauf abzielt, Geräte, Computerelemente und Verkabelungen herzustellen, die mit Ionen in ihrer Muttersprache sprechen können.

Mehrere Forschungsgruppen arbeiten an „Mixed Conduction“, einem Projekt, dessen Ziel Geräte sind, die Bioelektrizität sprechen können. Es stützt sich stark auf Kunststoffe und fortschrittliche Polymere mit langen Namen, die oft Satzzeichen und Zahlen enthalten. Wenn das Ziel eine DBS-Elektrode ist, die Sie länger als zehn Jahre im Gehirn behalten können, müssen diese Materialien viel länger sicher mit dem körpereigenen Gewebe interagieren, als dies jetzt der Fall ist. Und diese Suche ist noch lange nicht vorbei. Die Leute beginnen sich verständlicherweise zu fragen: Warum nicht einfach den Mittelsmann überspringen und dieses Zeug tatsächlich aus biologischen Materialien herstellen, anstatt Polymere herzustellen? Warum nicht lernen, wie es die Natur macht?

Es wurde schon einmal versucht. In den 1970er Jahren gab es ein reges Interesse an der Verwendung von Korallen für Knochentransplantate anstelle von Autotransplantaten. Anstelle einer traumatischen Doppeloperation, um das notwendige Knochengewebe aus einem anderen Körperteil zu entnehmen, fungierten Korallenimplantate als Gerüst, damit die neuen Knochenzellen des Körpers einwachsen und den neuen Knochen bilden können. Koralle ist von Natur aus osteokonduktiv, was bedeutet, dass neue Knochenzellen glücklich darauf gleiten und einen angenehmen Ort finden, um sich zu vermehren. Es ist auch biologisch abbaubar: Nachdem der Knochen darauf gewachsen war, wurde die Koralle nach und nach vom Körper absorbiert, verstoffwechselt und dann ausgeschieden. Stetige Verbesserungen haben zu wenigen Entzündungsreaktionen oder Komplikationen geführt. Jetzt gibt es mehrere Unternehmen, die spezialisierte Korallen für Knochentransplantate und Implantate züchten.

Nach dem Erfolg der Korallen begannen die Menschen, sich marine Quellen für Biomaterialien genauer anzusehen. Dieser Bereich entwickelt sich jetzt rasant – dank neuer Verarbeitungsmethoden, die es ermöglicht haben, viele nützliche Materialien aus dem zu gewinnen, was früher nur Meeresabfälle waren, hat es im letzten Jahrzehnt eine wachsende Zahl von Biomaterialien gegeben, die von Meeresorganismen stammen. Dazu gehören Ersatzquellen für Gelatine (Schnecken), Kollagen (Quallen) und Keratin (Schwämme), von denen marine Quellen reichlich vorhanden, biokompatibel und biologisch abbaubar sind. Und das nicht nur im Körper – ein Grund dafür, dass das Interesse daran gestiegen ist, ist das Bemühen, von umweltschädlichen synthetischen Kunststoffmaterialien wegzukommen.

Abgesehen von all den anderen Vorteilen von aus dem Meer stammenden Dupes sind sie auch in der Lage, einen Ionenstrom zu leiten. Daran dachte Marco Rolandi 2010, als er und seine Kollegen an der University of Washington aus einem Stück Tintenfisch einen Transistor bauten.