Das menschliche Gehirn gibt Wissenschaftlern noch immer viele R\u00e4tsel auf. Trotz allen wissenschaftlichen Fortschritts. Es mit all seinen Funktionen und F\u00e4higkeiten nachzubilden, ist nicht nur f\u00fcr Anwendungen der k\u00fcnstlichen Intelligenz ein \u2013 bisher unerf\u00fcllbarer \u2013 Traum. Wissenschaftlern der Technischen Universit\u00e4t Eindhoven ist jetzt gemeinsam mit amerikanischen und italienischen Kollegen ein kleiner Schritt in diese Richtung gelungen. Sie haben k\u00fcnstliche Synapsen entwickelt, die mit lebenden Zellen kommunizieren k\u00f6nnen.<\/p>\n
Die Kommunikation der Nervenzellen im Gehirn geschieht mittels elektrochemischer Signale, indem die Zellen \u00fcber zwei Synapsen und einen schmalen Spalt dazwischen, der sozusagen als Transportmittel f\u00fcr die Signale dient, miteinander sprechen. Je mehr dieser \u201eUnterhaltungen\u201c stattfinden, desto st\u00e4rker wird die Verbindung und desto weniger Energie ist f\u00fcr die \u00dcbertragung erforderlich. Der Grund ist, dass die Signale die Leitf\u00e4higkeit der Empfangssynapse permanent anpassen. Je st\u00e4rker so die Verbindung wird, desto mehr lernt das Gehirn und merkt sich auch die Dinge, die es gelernt hat. \u00c4hnlich einem kleinen Trampelpfad, der umso breiter, fester und leichter begehbar wird, je mehr Menschen auf ihm laufen.<\/p>\n
Der Forscher Yoeri van de Burgt von der Eindhoven University of Technology<\/a> entwickelte im Jahr 2017 als Postdoc an der Stanford University<\/a> eine k\u00fcnstliche Synapse aus organischen Materialien. Nun haben er und seine Kollegen des Istituto Italiano di Technologia<\/a> (iit) und der Stanford University es geschafft, diese Synapse tats\u00e4chlich mit lebenden Zellen, die Nervenzellen \u00e4hneln, kommunizieren zu lassen. \u201eGenau wie ein echtes Gehirn scheint unser System eine Lern- und Ged\u00e4chtnisfunktion zu haben\u201c, freut sich Van de Burgt. \u201eDas bringt uns einer adaptiven Verbindung mit dem Gehirn einen Schritt n\u00e4her, die fortschrittliche Prothesen und regenerative Medizin erm\u00f6glicht.\u201c<\/p>\n \u201eDie meisten Forschungsgruppen, die sich mit der Messung von Hirnaktivit\u00e4t und Gehirn-Maschine-Schnittstellen befassen, sind nur in der Lage, elektrische Signale zu messen\u201c, erkl\u00e4rt der Forscher. \u201eAber diese Signale sind nur eine Ableitung der Prozesse in der Synapse. Wir k\u00f6nnen den Prozess wirklich imitieren. Wir arbeiten, genau wie das Gehirn selbst, mit elektrochemischen Signalen. Das macht unseren Ansatz effizienter, aber auch relevanter.\u201c<\/p>\n Das System zweier Synapsen und eines synaptischen Spalts besteht aus zwei leitenden Elektroden aus weichem Polymer und einer dazwischen liegenden Elektrolytl\u00f6sung. So konnten die Wissenschaftler die lebenden Zellen auf die erste Elektrode kleben und sie \u00fcber ein Kulturmedium ern\u00e4hren. \u201eDie lebenden Zellen in unserem System kommunizieren mit der Elektrode, weil der Neurotransmitter aus der Zelle eine (Redox-)Reaktion eingeht und dabei Ionen bildet\u201c, beschreibt Van de Burgt. \u201eDiese Ionen wandern dann durch den Spalt zur zweiten Elektrode. Dadurch \u00e4ndert sich der Leitf\u00e4higkeitszustand dieser zweiten Elektrode. Ein Teil dieser Ver\u00e4nderung bleibt erhalten, wodurch der Lernprozess simuliert wird, der in einem echten Gehirn abl\u00e4uft.\u201c Da die Verarbeitung und Speicherung des Signals gleichzeitig stattfinde, genau wie in einer echten Synapse, sei das System so energieeffizient.<\/p>\n Dann m\u00fcssten die Neurotransmitter neu gebildet werden, um sich auf das n\u00e4chste Signal aus der Zelle vorzubereiten. \u201eMit einem mikrofluidischen System konnten wir den biologisch relevanten Prozess der so genannten Endozytose imitieren”, sagt Van de Burgt. \u201eDas bedeutet, dass wir die Synapsen wieder in ihren urspr\u00fcnglichen Zustand versetzen k\u00f6nnen. Dies konnten wir erreichen, indem wir Sauerstoff zu den k\u00fcnstlichen Synapsen transportieren.\u201c Und es habe gut funktioniert. Der Prozess sei zwar nicht der gleiche wie im Gehirn, das Ergebnis aber schon.<\/p>\n Getestet wurden die Synapsen an Zellen von Ratten, die \u00e4hnlich wie Nervenzellen beschaffen sind und Dopamin freisetzen. \u201eWir sahen, dass das Dopamin tats\u00e4chlich – wie wir gehofft hatten – eine dauerhafte Ver\u00e4nderung der zweiten Elektrode bewirkt und damit den leitenden Zustand des Systems ver\u00e4ndert\u201c, so Van de Burgt.<\/p>\n Ziel der Forscher ist es nun, das System zum Beispiel daf\u00fcr anzuwenden, Prothesen zu entwickeln, die mit dem Gehirn kommunizieren und so besser funktionieren k\u00f6nnen. Oder auch, um Teile des Gehirns zu reparieren. Au\u00dferdem m\u00f6chte Van der Burgt in Zukunft auch in der Lage sein, eine durchtrennte Wirbels\u00e4ule zu reparieren, indem er adaptives System dazwischenschaltet. So k\u00f6nnten die Nerven miteinander kommunizieren und die Lernf\u00e4higkeit bliebe erhalten. Das sei aber noch ein \u201eweit entfernter Zukunftstraum\u201c, gibt Van de Burgt zu. \u201eDenn an diesem Punkt im R\u00fcckenmark hat man keine Synapsen in der N\u00e4he. Und darauf ist unser derzeitiges System aufgebaut.”<\/p>\n Die Ergebnisse der Forschung wurden in der Zeitschrift Nature Materials<\/a> ver\u00f6ffentlicht.<\/p>\n Titelbild<\/strong>: Die k\u00fcnstliche Synapse aus organischen Materialien. Die elektrischen Sonden (Metallst\u00fccke) messen die Kondiktivit\u00e4t. Das mikrofluidische System (R\u00f6hren oben) versorgt die lebenden Zellen und stellt die Synapsen wieder in ihren urspr\u00fcnglichen Zustand zur\u00fcck. Foto: Yoeri van de Burgt.<\/em><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" Das menschliche Gehirn gibt Wissenschaftlern noch immer viele R\u00e4tsel auf. Trotz allen wissenschaftlichen Fortschritts. 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Endergebnis das gleiche<\/h3>\n