In den Tiefen des Gehirns

21.06.2019 |

Von:  Peter Rüegg

ETH-Forscher nutzen Stimulationen des Hirns, um die Folgen von Stress zu erforschen, aber auch, um neue Therapien dagegen zu entwickeln. Vielleicht wird es dereinst sogar m?glich, Hirnerkrankungen ohne Pillen buchst?blich im Schlaf zu heilen.

Hirnstimulation
Noch Zukunftsvision – Mikrochips auf der Grosshirnrinde messen Hirnaktivit?ten und aktivieren gezielt notwendige Medikamente. (Illustration: Jemère Ruby nach dem Konzept von Mehmet Fatih Yanik)

Auf dem Netz finden sich Videos, deren Inhalte sich im Ged?chtnis festsetzen. Ein Mann sitzt mit einer Fernsteuerung in der Hand auf dem Sofa. Offensichtlich ist er an Parkinson erkrankt: Seine H?nde und Arme zittern und beben. Dann hebt er die Fernsteuerung an seine Brust, drückt einen grauen Knopf – und das Zittern l?sst fast augenblicklich nach.

Was man auf dem Video nicht sieht: Im Hirn des Betroffenen stecken zwei Elektroden, die mit einem auf Brusth?he implantierten Schrittmacher verbunden sind. Auf Knopfdruck sendet der Schrittmacher elektrische Impulse in die Basalganglien, eine Gruppe von Zellkernen, welche die Bewegungsplanung steuern. Die Stimulation dieses bei Parkinson stark gest?rten Hirnareals stoppt die starken motorischen St?rungen fast schlagartig. Es ist geradezu gespenstisch.

?Tiefe Hirnstimulation bei Parkinson ist wohl einer der gr?ssten Erfolge der Neurowissenschaften?, sagt Johannes Bohacek, Assistenzprofessor am Institut für Neurowissenschaften der ETH Zürich. Auch bei Depressionen setzen Wissenschaftler Hirnstimulation experimentell ein, doch ein Grossteil dieser Forschung steckt noch in den Kinderschuhen. Einiges mutet mitunter wie Science-Fiction an.

Mit Viren ins Hirn

Johannes Bohacek selbst nutzt Hirnstimulationen zur Erforschung von Stress und dessen Folgen für den Organismus. ?Akuter und chronischer Stress sind Risikofaktoren für psychische Erkrankungen?, sagt der Neurowissenschftler. Doch Stressreaktionen zu ergründen, sei sehr kompliziert, weil sich Stress auf den gesamten K?rper auswirke und viele Organe und Botenstoffe involviere. ?Das erschwert es, das Ph?nomen Stress gezielt zu untersuchen.?

Bohacek vereinfacht daher, indem er sich auf Einzelteile konzentriert; zurzeit auf das noradrenerge System, das bei Stress eine zentrale Rolle spielt. In akuten Stresssituationen, zum Beispiel dann, wenn pl?tzlich ein Feueralarm losgeht, wird das Gehirn mit Noradrenalin überflutet. Dafür zust?ndig ist ein einziges, winziges Hirnareal, der Locus caeruleus. Er liegt wie eine Nadel im Heuhaufen tief im Hirnstamm verborgen. ?Er ist für Sonden, wie sie zur tiefen Hirnstimulation genutzt werden, zu klein und zu schwer erreichbar?, sagt Bohacek. Ein überaktiver Locus caeruleus liegt gewissen Angst- und Panikst?rungen zugrunde. Darum sind viele Forscher und die Pharma?branche stark daran interessiert, seine Funktionen besser zu verstehen.

Um gezielt untersuchen zu k?nnen, was sich in diesem Hirnareal bei Stress abspielt, ver?ndert der ETH-?Professor mit Hilfe von Viren gezielt Nervenzellen des Locus caeruleus. Dazu arbeitet er mit einer speziellen Maus?linie, die das Virus in den Locus caeruleus zwingt. Das Virus sorgt dafür, dass sich auf der Oberfl?che der Nervenzellen ein künstlicher Rezeptor (Empf?ngermolekül) ausbildet.

Die Forscher verabreichen dann den M?usen eine Substanz, die sich mit diesen Rezeptoren verbindet, damit die betreffenden Neuronen erregt werden und die Ausschüttung von Nordadrenalin bewirkt wird, ohne dass vorg?ngig das gesamte Stresssystem aktiviert werden musste. So k?nnen Bo?ha?cek und sein Team kl?ren, was daraufhin im gesamten Gehirn abl?uft.

Von solchen Versuchen erhofft sich der Neurowissenschaftler, die Ursachen von Stresserkrankungen besser zu verstehen. ?Um griffigere Thera?pien entwickeln zu k?nnen, müssen wir erst die molekularen Stressmechanismen besser kennenlernen. Ein spannender Ansatz w?re es, die Erregbarkeit des Locus caeruleus mit ?hnlichen Methoden wie der Hirnstimula?tion zu drosseln?, erkl?rt Bohacek. ?Ob und wann diese Techniken Einzug in die klinische Realit?t finden werden, muss sich weisen.?

Hirn-Maschinen-Schnittstelle

Neue Therapien für Hirnerkrankungen stehen auch bei Mehmet Fatih Yanik zuoberst auf der Traktandenliste. ?Wir arbeiten an neuen Technologien, um Netzwerk-Fehlfunktionen bei Hirn-?erkrankungen zu korrigieren. Solche Fehlfunktionen liegen Erkrankungen wie Depression, Schizophrenie oder Autismus zugrunde?, sagt der Professor für Neurotechnologie am Institut für Neuroinformatik der ETH und der Universit?t Zürich.

Gehirnerkrankungen werden nach wie vor meistens mit Pillen behandelt. Dabei bindet sich ein Wirkstoff an das passende Zielmolekül in der Nervenzelle und l?st dadurch eine biochemische Signalkaskade in der Zelle aus. Das ist allerdings wenig spezifisch, denn die Zielmoleküle kommen oft im gesamten Gehirn oder sogar im übrigen K?rper vor, nicht nur in den Hirn?arealen, die man mit dem Medikament beeinflussen m?chte.

Yanik hat deshalb eine andere Vorstellung davon, wie die Therapie von Hirnerkrankungen in Zukunft aussehen k?nnte. ?Das ist im Moment eine reine Vision?, schmunzelt er. Aber eigentlich ist es ihm ernst damit. Jüngst bewarb er sich mit diesem Projekt erfolgreich für Forschungsgelder von der EU.

Seine Idee: Eine Person liegt im Bett, den Kopf auf das Kissen gelegt, das drahtlos mit Mikrochips kommuniziert, die auf der Grosshirnrinde platziert sind. W?hrend der Mensch schl?ft, übermitteln tausende von winzigen Elektroden hochaufgel?ste Informationen über die Aktivit?t einzelner Nervenzellen an die Chips. Diese berechnen, ob die Hirnschaltkreise normal funktionieren oder ob sie pathologische Muster aufweisen und eine therapeutische Intervention notwendig wird.

Ein an den Blutkreislauf angeschlossenes Implantat gibt dann mit Wirkstoffen beladene Mikropartikel ab. Die Mikrochips aktivieren daraufhin weitere Module, die Ultraschallwellen erzeugen und sich auf eine bestimmte Stelle des Gehirns richten. Dort ballen sich die Partikel für einen kurzen Moment zusammen und setzen die Wirkstoffe frei. Auf diese Weise regulieren sie hochkonzentriert und ?usserst gezielt die aus dem Lot geratenen Hirnschaltkreise.

Von der Realisation eines solchen Systems ist er zwar noch Jahrzehnte entfernt, doch einzelne Puzzleteile werden derzeit intensiv erforscht und an Tieren erprobt. Beispielsweise die mit fokussiertem Ultraschall freigesetzten Wirkstoffe. Yanik und seine Mitarbeitenden haben es vor Kurzem geschafft, mit schwachen Ultraschallwellen Mikropartikel in definierten Hirnarealen der Ratte zu konzentrieren, zu ?ffnen und deren Ladung – bereits für klinische Anwendungen zugelassene Wirkstoffe – freizusetzen. Yaniks Team hat zudem einen neuartigen Algorithmus entwickelt, um im Tiermodell krankhafte Hirnaktivit?tsmuster zu identifizieren und die entsprechende Erkrankung zu behandeln.

Bleibt die Frage: Braucht die Menschheit wirklich ein derartiges Science-Fiction-Szenario zur Heilung von Gehirnerkrankungen? Yanik ist davon überzeugt: ?Existierende Therapien genügen nicht. Vierzig der schwersten Hirnerkrankungen sind nach wie vor nicht therapierbar. Heute schlucken wir Pillen gegen psychische ?Erkrankungen oder es kommen bestenfalls elektromagnetische Strahlung oder Ultraschall zum Einsatz. Das ist ungef?hr so wirksam, wie wenn man einen Supercomputer mit einem Hammer reparieren wollte.? 

Dieser Text ist in der aktuellen Ausgabe des ETH-Magazins Globe erschienen.

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