Forschende beeinflussen Hirnnetzwerke mit Ultraschall-Hologramm

Mit einer neuen Ultraschalltechnik können Forschende erstmals mehrere Stellen im Gehirn gleichzeitig stimulieren. Das Verfahren eröffnet neue Möglichkeiten für künftige Therapien gegen Alzheimer, Parkinson, Depressionen und weitere Krankheiten.

Seit gut zehn Jahren erforschen Wissenschaftler, wie sich mit wenig intensivem Ultraschall gezielt die Nervenaktivität im Gehirn beeinflussen lässt. Erste klinische Studien überprüfen bereits, ob sich mit solcher Neuromodulation die Symptome bei Alzheimer, Epilepsie oder das Zittern von Tremor-Patienten lindern lassen.

Forschenden der ETH Zürich, der Universität Zürich (Schweiz) und der New York University (USA) ist es nun gelungen, die Ultraschall-Neuromodulation im Gehirn zu verbessern. Die Wissenschaftler entwickelten ein Gerät, mit dem sich im Gehirn erstmals gleichzeitig drei oder bis zu fünf präzise definierte Punkte stimulieren lassen, wie sie in einer Studie in „Nature Biomedical Engineering“ zeigen. Bisher war das höchstens ansatzweise und sehr viel unpräziser möglich.

„Das Gehirn funktioniert in Netzwerken. Es ist daher einfacher, ein Hirnnetzwerk anzuregen oder zu dämpfen, wenn man das an mehreren Punkten gleichzeitig macht“, erklärt Daniel Razansky. Er ist Professor an der ETH Zürich und der Universität Zürich und hat die Arbeit gemeinsam mit einem Kollegen der New York University geleitet.

Durch die Schädeldecke hindurch

Die Forschenden führten die nicht invasive Neuromodulation im Labor an Mäusen durch. Dazu platzierten sie deren Kopf unter einer selbst entwickelten Haube mit mehreren hundert Ultraschall-Wandlern. Über eine ausgeklügelte Steuerungselektronik erzeugen diese Wandler kurze Ultraschall-Impulse so, dass sich die Ultraschallwellen im Gehirn gegenseitig auslöschen oder verstärken. Das Prinzip ist vergleichbar mit einem Hologramm, einem dreidimensional wirkenden Bild, das durch die Wechselwirkung von Lichtwellen erzeugt wird. Bei der neuen Methode entstehen durch die Überlagerung vieler Ultraschallwellen einzelne Brennpunkte.

Indem die Forschenden Hirnnetzwerke an mehreren Punkten gleichzeitig modulieren, können sie im Vergleich zur Modulation an einem Punkt mit weniger intensivem Ultraschall arbeiten. „Je weniger intensiv der Ultraschall, desto sicherer ist das für das Gehirn“, erklärt Razansky. Frühere Anläufe zur Ultraschall-Neuromodulation litten dem Forscher zufolge oft unter einem Alles-oder-nichts-Effekt: Zu schwacher Ultraschall hatte keinen Effekt, während eine zu starke Intensität zu einer unkontrollierten Erregung des ganzen Gehirns führte, verbunden mit der Gefahr, dieses zu schädigen. Außerdem kann intensiver Ultraschall Gefäßschäden verursachen oder zu Überhitzung des Schädels oder des Gehirns führen.

Mechanischer Einfluss auf Proteine

Niedrigintensive Ultraschall-Impluse haben kurzzeitige Effekte, darunter auch ein kurzer Temperaturanstieg im Fokusbereich. Darüber hinaus beeinflussen sie mutmaßlich auch kanalförmige Proteine an der Oberfläche von Nervenzellen, die den Transport von Ionen in die Zellen und aus ihnen heraus kontrollieren. Welche Mechanismen in welchem Ausmaß dazu beitragen, dass Nervenzellen angeregt oder gedämpft werden, müssen die Forschenden eigenen Angaben zufolge erst noch im Detail untersuchen.

Mit der neuen Methode ist es außerdem möglich, Hirnnetzwerke nicht nur anzuregen, sondern diese Anregung gleichzeitig mittels Bildgebung sichtbar zu machen. So können die Forschenden unmittelbar überprüfen, welche Netzwerke sie angeregt haben.

Tierversuche für diese Forschung zwingend

In einem nächsten Schritt wollen sich die Forschenden Anwendungen der von ihnen entwickelten Technologie widmen und sie in Tierversuchen bei verschiedenen Krankheiten testen. Mögliche medizinische Anwendungsfelder sind neben Alzheimer, Tremor und Epilepsie auch Depressionen, Parkinson sowie die Therapie nach einem Schlaganfall. „Für unsere Forschung sind wir auf Tiere angewiesen“, betont Razansky. „Es wäre nicht möglich, solche Entwicklungen einem so frühen Stadium an Menschen zu erforschen. Zunächst müssen wir lernen, wie wir den Eingriff kontrollieren können, und wir müssen gewährleisten, dass er für die Behandlung von Gehirnerkrankungen sicher und wirksam und ist.“