Neues Neurales Implantat verfolgt Aktivität über mehrere Hirnregionen gleichzeitig

Wie kommunizieren verschiedene Teile des Gehirns während Lernen und Gedächtnisbildung miteinander? Eine neue Studie von Forschern der University of California San Diego macht einen ersten Schritt, um diese fundamentale neurowissenschaftliche Frage zu beantworten.

Die Studie wurde durch die Entwicklung eines neuralen Implantats ermöglicht, das die Aktivität verschiedener Hirnareale gleichzeitig überwacht – von der Oberfläche bis zu tiefen Strukturen – ein Novum in diesem Bereich. Mit dieser neuen Technologie zeigen die Forscher, dass vielfältige Muster bidirektionaler Kommunikation zwischen zwei Hirnregionen auftreten, von denen bekannt ist, dass sie eine Rolle beim Lernen und der Gedächtnisbildung spielen – dem Hippocampus und dem Cerebralcortex. Die Forscher zeigen auch, dass diese unterschiedlichen Kommunikationsmuster mit Ereignissen namens Sharp-Wave Ripples verbunden sind, die im Hippocampus während Schlaf und Ruhe auftreten.

„Unser neuronales Implantat ist vielseitig; es kann auf jeden Bereich des Gehirns angewendet werden und ermöglicht die Untersuchung anderer kortikaler und subkortikaler Hirnregionen, nicht nur Hippocampus und Cerebralcortex“, sagt Professorin Duygu Kuzum.

Das neuronale Implantat besteht aus einem dünnen, transparenten, flexiblen Polymerstreifen, der mit einem Array mikroskopischer Gold-Elektroden gefertigt ist, auf die Platin-Nanopartikel aufgebracht wurden. Jede Elektrode ist über einen mikrometerdünnen Draht mit einer kundenspezifischen Leiterplatte verbunden. Es kann elektrische Signale von einzelnen Neuronen tief im Gehirn aufzeichnen, wie im Hippocampus, während es gleichzeitig große Bereiche wie den Cerebralcortex bildgebend erfasst.

Mehrere Designmerkmale ermöglichen die Multi-Regionen-Überwachung. Eines ist die Flexibilität der Sonde. Wenn sie tief in das Gehirn eingeführt wird, um eine Region wie den Hippocampus zu überwachen, kann der herausragende Teil nach unten gebogen werden, um Platz für ein Mikroskop zu schaffen, das nah an die Oberfläche gebracht wird, um den Cerebralcortex gleichzeitig zu bildgebend zu erfassen. Konventionelle neurale Sonden sind starr, sodass sie dem Mikroskop im Weg sind; daher können sie nicht verwendet werden, um tiefe Hirnstrukturen zu überwachen, während die Gehirnoberfläche bildgebend erfasst wird. Und obwohl diese neurale Sonde weich und flexibel ist, ist sie so konstruiert, dass sie dem Knicken unter Druck während der Einführung standhält. Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Transparenz der Sonde, die dem Mikroskop ein klares Sichtfeld gibt. Sie erzeugt auch keine Schatten oder zusätzliches Rauschen während der Bildgebung.

Die Motivation für diese Studie war, den Kern zu ergründen, wie verschiedene kognitive Prozesse wie Lernen und Gedächtnisbildung im Gehirn ablaufen. Solche Prozesse beinhalten Kommunikation zwischen Hippocampus und Cerebralcortex. Aber wie genau findet diese Kommunikation statt? Und welche Hirnregion initiiert diese Kommunikation: der Hippocampus oder der Cerebralcortex? Diese Fragen blieben unbeantwortet, weil es sehr schwierig ist, diese beiden Hirnregionen gleichzeitig zu untersuchen, so Kuzum.

Die Forscher nutzten ihre Sonde, um die Aktivität von Hippocampus und Cerebralcortex bei transgenen Mäusen zu überwachen. Speziell überwachten sie die Aktivität vor, während und nach Oszillationen, die als Sharp-Wave Ripples im Hippocampus auftreten. Ihre Experimente enthüllten, dass die Kommunikation zwischen Hippocampus und Cerebralcortex beidseitig ist: Manchmal initiiert der Cortex die Kommunikation, manchmal der Hippocampus. Dies ist ein wichtiger erster Hinweis zum Verständnis der interregionalen Kommunikation im Gehirn, so die Forscher.

„Die beidseitige Kommunikation, die wir hier berichten, unterscheidet sich von der herkömmlichen Vorstellung, dass der Cortex passiv Informationen vom Hippocampus empfängt. Stattdessen ist der Cortex aktiv an der Kodierung von Informationen in das Gehirn beteiligt und kann eine anweisende Rolle während Gedächtniskonsolidierung und -abruf spielen“, sagt Dr. Chi Ren, einer der Forscher.