Neue Methode zur Steuerung des motorischen Verhaltens

Wissenschaftler konnten mit superparamagnetische Nanopartikeln und genveränderten Neuronen mit der Aktivierung eines Magnetfeldes die Bewegung von Mäusen beeinflussen

Telepolis entstand anlässlich einer Ausstellung, die das damalige Medienlabor München für das Goethe Institut für die Europäische Kulturhauptstadt Luxemburg 1995 organisierte. Wir stellten damals das mögliche Leben in einer vernetzten Stadt vor, begleitet von einem Online-Magazin, aus dem Telepolis.de wurde, diskutierten über die Folgen für die Architektur und die Stadtplanung und luden u.a. den australischen Technokünstler Stelarc zu einer etwas unheimlichen Performance ein. Er brachte Elektrostimulatoren an Füßen und Armen, die Internetnutzer aus der Ferne triggern konnten, so dass Stelarc als eine Art ferngesteuerter Zombie zwanghaft Bewegungen ausführen, aber gleichzeitig darauf achten musste, nicht zu Fall zu kommen (Der vernetzte Körper).

Die Technik, mit Muskelstimulatoren von außen die Kontrolle über bestimmte Muskeln des Körpers eines Menschen zu übernehmen, ist freilich etwas archaisch. Wer es selbst einmal probiert hat, wie etwa die eigenen Arme ein eigenes Leben übernehmen und sich der willentlichen Kontrolle entziehen, wird die Unheimlichkeit nachvollziehen können. Die alte Fantasie, dass ein Geist in einen fährt, den Menschen entmachtet und den Körper übernimmt, wird ansatzweise wirklich.

Die Bewegungen von Tieren zu steuern, wird schon lange versucht, beispielsweise Insekten, denen Chips implantiert werden. Japanische Wissenschaftler haben nicht-invasiv über eine leichte elektrische Stimulation des mit dem Mittelohr verbundenen Mastoid, ein Knochen des Schläfenbeins, das Gleichgewichtsorgan oder das vestibuläre System beeinflusst. Damit lassen sich für die Bewegungskoordination wichtige Signale an das Gehirn leiten und damit sehr beschränkt die Bewegungsrichtung steuern. Amerikanische Wissenschaftler konnten allerdings trainierte Hunde mittels einer Weste mit GPS, Magnetometer, einem Beschleunigssensor und einem inertialen Navigationssystem über Vibrations- und Tonsignale aus der Ferne steuern.

Eine raffiniertere Möglichkeit, einen tierische Körper zu übernehmen, haben nun der Physikprofessor Arnd Pralle und sein Team von der University at Buffalo demonstriert. Schon zuvor war es gelungen, mit der Methode den Nematoden C. elegans in kontrollierte Bewegung zu versetzen. Bei ihren Versuchen an Mäusen verwendeten sie wieder die magneto-thermale tiefe Gehirnstimulation von motorischen Arealen.

Es handelt sich, wie Pralle in dem Artikel in eLife Sciences hervorhebt, etwa im Unterschied zur optogenetischen Steuerung mit Licht, wo oft winzige Lichtwellenleiter implantiert werden müssen, oder durch implantierte Elektroden, um eine minimal-invasive Methode, bei der superparamagnetische Nanopartikel mit einem Kern aus Co-Ferrit und einer Hülle aus Mn-Ferrit in einer Polymer-Kapsel, in Gehirnareale injiziert werden. Die Nanopartikel mit einem Durchmesser, der kleiner als 30 nm ist, lassen sich von außen durch ein magnetisches Feld erhitzen, was wiederum Neuronen triggert, die temperaturgesteuerte Ionenkanäle besitzen. Diese werden zunächst durch das Einbringen des Gens TRPV1 mittels eines Virus (AAV5 oder einen Lentivirus) in Neuronen geschaffen. Dann werden in dieselbe Hirnregion die Nanopartikel eingebracht, die sich auf der Oberfläche der angezielten Neuronen mittels A2B5-Antikörper festsetzen und diese umhüllen. Unter einem Magnetischen Feld springen die Nanopartikel hin und her und erwärmen die Zellen, was wiederum die Ionenkanäle öffnet und schließlich zum "Feuern" der Neuronen führt. Zellen und Umgebung wurden in Sekunden um 0,1 bis 1,0 Grad Celsius wärmer und kehrten nach der Stimulation auch sehr schnell wieder auf die Ausgangstemperatur zurück.

Die Wissenschaftler haben mit drei Gehirnregionen in Mäusen experimentiert, die zuvor schon optogenetgisch und chemogenetisch aktiviert wurden, um ihre neue Methode damit zu vergleichen. Die Wirkungen der magnetothermalen Stimulation entsprach der, die durch die anderen Methoden verursacht wurden. Je nachdem, wo die magnetothermale genetische Stimulation aktiviert wird, wirkt sie anders. Wird der motorische Cortex stimuliert, beginnen die Mäuse zu laufen, bei Aktivierung von Zellen im Striatum drehen sie sich um ihre Achse und von Neuronen zwischen dem ventralen und dorsalen Striatum erstarren sie.

Bei sechs genveränderten Mäusen wurden Neuronen im motorischen Cortex mehrmals mit dem Magnetschirm aktiviert. Sie begannen dann hektisch am Rand des kleinen Gefäßes zu rennen und wurden langsamer, wenn die Aktivierung beendet wurde. Bei der Aktivierung des Striatum bewegten sich die Mäuse regelmäßig 4,7 Mal pro Minute um die eigene Achse. Beim dritten Versuch erstarren die Mäuse zwar nicht, aber Füße und Schwanz bewegen sich kaum noch, während Nacken und Kopf normal beweglich bleiben, allerdings gewinnen die Mäuse manchmal die willkürliche Bewegung der Gliedmaßen zurück. Hervorgehoben wird, dass relativ präzise Regionen angeschaltete werden können, die gerade einmal 1 mm entfernt seien.

Da mit einem magnetischen Feld gleichzeitig und in Echtzeit verschiedene Gehirnregionen angeschaltet werden können und die Tiere mit keinen Drähten verbunden sind, könne man mit dieser Methode frei bewegliche Tiere und auch das soziale Verhalten von mehreren interagierenden Tieren untersuchen. Dabei geht es nicht darum, tatsächlich Tiere - oder Menschen - gezielt zu steuern, sondern Hirnfunktionen genauer untersuchen und möglicherweise Erkrankungen/Schädigungen/Störungen besser behandeln oder Erkenntnisse für die Entwicklung von KI gewinnen zu können. Gleichwohl ist es ein weiterer Schritt, Gehirne und Verhalten nicht nur zu beobachten, sondern sie präzise kontrollieren und hacken zu können.