Welche elektrischen Reize nutzen Gehirnimplantate?

Kurze Antwort
Die Erfolgsbilanz der kortikalen visuellen Prothetik ist begrenzt. Viel mehr ist jedoch über Hörprothesen (hauptsächlich Cochlea-Implantate ) und Netzhautprothesen bekannt . Bei diesen Implantaten werden im Allgemeinen zweiphasige, ladungsausgeglichene Impulszüge angelegt, hauptsächlich aus Sicherheitsgründen und um die Stromausbreitung durch das neurale Gewebe zu verringern. Sinuswellen wurden in Cochlea-Implantaten getestet, sind aber seit langem als nützlicher Stimulus aufgegeben worden. Die Farbwahrnehmung in der visuellen kortikalen Prothetik ist bisher ein unerforschtes Gebiet, aber in Netzhautimplantaten liegen einige begrenzte Daten vor, dass die Farbwahrnehmung manipuliert werden kann, indem die Form und Frequenz der elektrischen Impulszüge verändert werden.

Hintergrund
Zunächst einmal arbeiten neuronale Prothesen (einschließlich Hör- und Sehprothesen sowie Herzschrittmacher) im Allgemeinen durch zweiphasige Impulse anstelle von Sinuswellen.

Zweiphasige Impulse haben den Vorteil, dass sie sehr kurz sein können (in der Größenordnung von zehn Mikrosekunden im Fall von Cochlea-Implantaten und Hunderten von Mikrosekunden bei Netzhautimplantaten). Dies ist vorteilhaft, weil der typische zweiphasige Impuls zwei identische Phasen, aber mit entgegengesetzter Polarität hat. Das bedeutet, dass der eingespeiste Strom innerhalb von Mikrosekunden schnell neutralisiert wird. Beachten Sie, dass Gleichstrom das empfindliche Nervengewebe schädigt. Aus diesem Grund werden in modernen Cochlea-Implantaten ladungsausgeglichene Impulse verwendet, um eine Gleichstromstimulation (DC) zu vermeiden, die Nervengewebe schädigen könnte (Bahmer & Baumann, 2013) .

Sinuswellen wurden in Cochlea-Implantaten verwendet (Clark, 2006) , da die meisten akustischen Sprachinformationen in Frequenzen zwischen 500 und 400 Hz übertragen werden. Tatsächlich zeigt der Hörnerv eine Phasenverriegelung, wenn der elektrische (oder akustische) Stimulus etwa 100 Hz oder weniger beträgt. Heutzutage sind jedoch zweiphasige Impulsfolgen die Norm, da sie sicherer, energieeffizienter und effektiver sind, da Impulse an benachbarten Elektroden abgewechselt werden können, um zu verhindern, dass sich elektrischer Strom an eng beabstandeten Elektroden summiert. Dies wird als Interleaving bezeichnet und wird seit den 1990er Jahren häufig verwendet, da es als Continuous-Interleaved-Sampling- Strategie (CIS) bekannt wurde (Wilson et al ., 1993).. Eine CIS-ähnliche Strategie wurde auch bei Netzhautimplantaten angewendet, beispielsweise bei der Argus II-Prothese .

Visuelle Prothetik liefert im Allgemeinen visuelle Wahrnehmungen auf einer Grauskala. Kortikale Prothetik wurde nicht viel untersucht. Netzhautimplantate sind jedoch derzeit von mindestens zwei Unternehmen im Handel erhältlich. In Netzhautimplantaten erscheinen Phosphene meist als weiße Lichtflecken, aber es wurde auch über gelbe (Stronks & Dagnelie, 2014b) sowie rote bis orangefarbene Phosphene (Humayun et al ., 2003) berichtet . Interessanterweise wurde bei Netzhautprothesen tatsächlich gezeigt, dass durch sorgfältige Anpassung der Pulsfrequenz und Pulsform eine grobe Form der Farbwahrnehmung induziert werden kann (Stronks & Dagnelie, 2014a).. Das einzige konsistente Ergebnis scheint jedoch gewesen zu sein, dass hohe Pulsraten zu blauen Phosphenen führten, wenn die Stimulation gestoppt wurde (OFF-Reaktion) (Humayun et al ., 2003) . Der Gedanke ist, dass unterschiedliche Stimuluseigenschaften einen unterschiedlichen Satz von Fasern in der Netzhaut stimulieren, aber dies ist zu diesem Zeitpunkt noch sehr vorläufig. Bei kortikalen Implantaten hat die Forschung meines Wissens noch nicht einmal Farbempfindungen berührt.

<sub>Referenzen
– Bahmer & Baumann, Hear Res , 306 : 123–30
– Clark, Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci (2006); 361 (1469): 791–810
– Humayun et al ., Vis Res (2003); 43 (24): 2573-81
- Stronks & Dagnelie, Exp Rev Med Dev (2014a); 11 (1): 23–30
– Stronks & Dagnelie, Encyclopedia of Computational Neuroscience (2014b): 1–4
– Wilson et al ., J Rehabil Res Dev (1993); 30 (1): 110-6</sub>

Diese Frage ist ehrlich gesagt etwas vage, aber im Allgemeinen (dh um die Frage aus dem Titel zu beantworten) verwendet das Gehirn elektrochemische Signale. Das Problem ist natürlich, dass wir weit davon entfernt sind, vollständig zu verstehen, was dort vor sich geht oder wie diese Signale alles erreichen, was wir tun können. Derzeit können wir winzige Fragmente des Gehirns einer Ratte simulieren, wie in Nature News, 2015, berichtet wurde .

Um die Frage des Körpers zu beantworten: "Wenn ich einige Elektroden an den visuellen Kortex einer blinden Person anschließen und möchte, dass sie die Farbe Rot sehen, was würde ich durch die Elektroden senden?" Die Antwort ist, wir wissen es nicht. Denn wie Conway et al. 2007 , Zustand:

Auf einer groben Ebene bleibt es umstritten, ob Farbe auf eine bestimmte Gehirnregion lokalisiert ist; Auf mikroskopischer Ebene ist ungewiss, welchen Beitrag einzelne Zellen zur Wahrnehmung bestimmter Farbtöne leisten. Während einige bildgebende Studien des Gehirns darauf hindeuten, dass die Farbverarbeitung im extrastriatischen Gehirn lokalisiert sein könnte [...], haben elektrophysiologische Einzelzellstudien, die eine höhere räumliche und zeitliche Auflösung als die Bildgebung haben, zu widersprüchlichen Ergebnissen geführt [...] und Zweifel an der Vorstellung eines spezialisierten Farbzentrums [...].

Wenn Sie jetzt nach künstlichen Augen fragen … es gibt viele Arten von vorgeschlagenen Prothesen, aber wenn wir über die vollständige Umgehung des Sehnervs sprechen, wie z funktioniert für schwarz und weiß ... und sogar dann

Der Patient konnte Lichtpunkte ohne signifikante nachteilige Nebenwirkungen sehen. [...]

„Wenn wir herausfinden könnten, wie wir visuelle Informationen verarbeiten und filtern können, um die Elektroden richtig zu stimulieren, könnten wir letztendlich die Art des Bildes verbessern, das die Person wahrnehmen kann.“

Es scheint also ein offenes Problem zu sein, auch ohne Farbe.

_{Conway, BR, Moeller, S., & Tsao, DY (2007). Spezialisierte Farbmodule im extrastriatischen Cortex des Makaken. Neuron, 56(3), 560-573.}