Vorherige Projekte

Innovationswettbewerb Medizintechnik - Kabellose Erfassung lokaler Feldpotentiale und elektrische Stimulation der Gro?hirnrinde für medizinische Diagnostik und Neuroprothetik (Kalomed)

Im Jahr 2009 f?rderte das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) das Projekt "Innovationswettbewerb Medizintechnik - Kabellose Erfassung lokaler Feldpotentiale und elektrische Stimulation der Gro?hirnrinde für medizinische Diagnostik und Neuroprothetik" (kurz Kalomed). Klaus Pawelzik war Koordinator dieses Verbundprojektes. Beteiligt an diesem Verbundprojekt waren die Gruppen von Andreas Kreiter, Walter Lang, Steffen Paul und Martin Schneider von der Universit?t Bremen sowie die Gruppe von Christian Elger (Epileptologie, Universit?t Bonn) und die Firma Brain Products.

Ein Problem für neurotechnologische Anwendungen ist es, die neuronalen Aktivit?tsmuster in hoher r?umlicher Dichte über einen langen Zeitraum (etwa ein Leben lang) zu erfassen.  Um die geforderte r?umliche und zeitliche Aufl?sung zu erreichen, ist es notwendig, dass die Elektroden (Schnittstelle zwischen Aufzeichnungssystem und neuronalem Substrat) so nah wie m?glich an den neuronalen Schaltkreisen platziert werden. Die Elektroden müssen mindestens unter dem Sch?del des Patienten platziert werden. Hieraus ergibt sich ein Problem: Wie k?nnen die implantierten Elektroden an ein externes Aufzeichnungssystem angeschlossen werden? Kabel als Konnektoren sind problematisch, weil sie durch den Knochen verlaufen und Kan?le schaffen, durch die Bakterien in den Kopf des Patienten gelangen k?nnen. Dies birgt ein hohes Risiko für eine Infektion. Au?erdem erzeugen die Kabel, die aus dem K?rper austreten, ein zus?tzliches hohes mechanisches Risiko. Wenn die Kabel stecken bleiben und daran gezogen wird, kann dies zu schweren Verletzungen führen. 

Ziel dieses Projektes war die Entwicklung eines vollst?ndig implantierbaren drahtlosen Aufzeichnungssystems. Die Idee ist, ein sehr kleines System zu entwickeln, das sowohl drahtlos Energie sammelt als auch drahtlos mit der Au?enwelt kommuniziert und nicht die Probleme eines Systems mit Kabeln aufweist.

SPP1665 - Priority Programme: Resolving and Manipulating Neuronal Networks in the Mammalian Brain - from Correlative to Causal Analysis

Interareal phase coherence as a mechanism for attention-dependent neuronal signal routing: A model-guided causal analysis using new, multi-contact floating silicon probes for intracortical chronic stimulation and recording in primates

Prof. Dr. Andreas Kreiter
Dr. Udo Ernst
Prof. Dr. Walter Lang

Das Gehirn besteht aus gro?en neuronalen Netzwerken, die dicht miteinander verschaltet sind. Je nach Kontext, Aufgabe und selektiver Aufmerksamkeit werden Teilnetzwerke so selektiert, dass bestimmte Berechnungen durchgeführt werden, die letztlich zu einer entsprechenden Verhaltensleistung führen. Auf diese Weise werden sensorische Signale selektiv durch das Gehirn geschleust. Letzteres ist im visuellen System bei der selektiven Aufmerksamkeit besonders deutlich. In h?heren Arealen des visuellen Kortex wie V4 wurde gezeigt, dass die Antworten von Neuronen mit 澳门皇冠_皇冠足球比分-劲爆体育eren Reizen in ihren rezeptiven Feldern ?hnlich sind, als ob nur der beachtete Reiz vorhanden w?re. Nicht zuletzt haben wir in einem kürzlich durchgeführten Experiment verhaltensneutrale zuf?llige Modulationen des Reizkontrastes als direkte Methode eingesetzt, um die Eigenschaften der Signalweiterleitung durch Aufmerksamkeit in visuellen Arealen zu untersuchen. Insbesondere fanden wir heraus, dass die Aufmerksamkeit den Beitrag der nicht-beobachteten Reize zu den Antworten in V4 unterdrückt, w?hrend sie einen spezifischen, frequenzbegrenzten Kanal für den beobachteten Ort ?ffnet.

Diese Befunde stellen zusammen eine Herausforderung für unser Verst?ndnis der Gating-Mechanismen im Gehirn dar. W?hrend die oben genannten experimentellen Ergebnisse mit der Hypothese übereinstimmen, dass koh?rente Oszillationen der selektiven Weiterleitung von Informationen durch den Kortex zugrunde liegen k?nnten, gibt es noch kein Modell, das alle relevanten experimentellen Ergebnisse erfasst und integriert. Insbesondere ist noch nicht gekl?rt, ob die Synchronisation tats?chlich kausal am Gating-Mechanismus beteiligt ist oder eher ein Epiph?nomen, das eine erh?hte Kopplung widerspiegelt.

In diesem Projekt schlie?en wir uns als Neurobiologen, Theoretiker und Ingenieure zusammen, um diese Fragen anzugehen. Um den experimentellen Zugang und die Kontrolle über die zu untersuchenden Netzwerke zu verbessern, werden wir parallel dazu ein vollst?ndig implantierbares, praktisch kr?ftefrei schwimmendes Multikontakt-Elektrodennadel-Array für die chronische intrakortikale Aufzeichnung und Stimulation im Primatenkortex entwickeln, testen und einsetzen. Dies wird hochaufl?sende elektrische und visuelle Stimulation als kausale Instrumente erm?glichen, um Mechanismen direkt zu manipulieren, die mutma?lich der aufmerksamkeitsabh?ngigen selektiven Verarbeitung von verhaltensrelevanten Eingangssignalen sowie der effektiven Unterdrückung von verhaltensirrelevanten Signalen zugrunde liegen. Es werden neue Werkzeuge und Methoden etabliert, um verschiedene Aspekte der Dynamik der kortikalen Netzwerke w?hrend der aufmerksamkeitsabh?ngigen Verarbeitung von visuellen Reizen durch elektrische Stimulation direkt zu beeinflussen. Gleichzeitig k?nnen die geschalteten Signalkan?le durch aufgabenirrelevante Kontrastmodulationen kontinuierlich charakterisiert werden. Dies wird uns erlauben, die Hypothese kritisch zu prüfen, dass die Gamma-Band-Synchronisation als Gating-Mechanismus für die aufmerksamkeitsabh?ngige Informationsweiterleitung dient. Darüber hinaus werden die Ergebnisse dazu dienen, die grundlegenden dynamischen Eigenschaften des Netzwerks zu charakterisieren und realistische Modelle für die vorgeschlagenen Routing-Mechanismen zu erstellen.

Creative Unit "I-See"

Prof. Dr. Walter Lang
Prof. Dr. Steffen Paul
Prof. Dr. Andreas Kreiter
Prof. Dr. Klaus Pawelzik

Hauptziel der Creative Unit (CU) I-See war die Entwicklung einer kortikalen Sehprothese. Dazu untersuchten die Forscher der CU die neurobiologischen Grundlagen der Einspeisung elementarer visueller Informationen in den visuellen Kortex in Richtung des Designs eines komplett kabellosen Implantats. Die CU wurde von 2013 bis 2017 gef?rdert.

Das angedachte Implantat hat ein hochflexibles Oberfl?chenelektroden-Array mit ca. 400 Elektroden. Das Layout ist auf die funktionelle Anatomie des visuellen Kortex und einen guten Kontakt zwischen Elektroden und Hirngewebe optimiert. Die auf der Rückseite der Matte integrierten elektronischen Schaltungen messen epikortikale Feldpotentiale mit hoher r?umlicher und zeitlicher Aufl?sung und übertragen diese an eine externe Basisstation. Darüber hinaus kann das Ger?t komplexe r?umlich-zeitliche Muster zur elektrischen Stimulation erzeugen. Die Energieversorgung erfolgt über eine induktive Verbindung und die Daten werden drahtlos über Funkfrequenzen übertragen. Ein wichtiges Ziel war es, eine langzeitstabile Versiegelung zu entwickeln.

Die neurobiologischen Untersuchungen zielten auf eine Verifizierung der Funktionalit?t des Implantats, die Entwicklung von Modellen zur Vorhersage optimaler elektrischer Stimuli und die Charakterisierung der durch elektrische Stimulation induzierten visuellen Wahrnehmungen. Das Projekt basiert auf umfangreichen und gemeinsamen Vorarbeiten seiner Mitglieder, die in verschiedenen Konstellationen durchgeführt wurden.