Optogenetische Lese-/Schreib-Neuroprothese für sensorische Substitution

Zunehmend werden in das Gehirn implantierte Elektroden-Arrays mit hoher Dichte eingesetzt, um Patienten mit motorischen Einschränkungen zu helfen. Die Signale der Elektroden können zum Beispiel zur Steuerung von Prothesen verwendet werden. Leider ist ein solcher Erfolg bei Patienten mit sensorischen Beeinträchtigungen noch nicht erreicht worden. Während Netzhaut- und Cochlea-Implantate bei Patienten mit einer gewissen Restfunktion des betroffenen Organs erfolgreich sind, versagen sie, sobald der Schaden größer oder im Gehirn selbst lokalisiert ist. Derzeit gibt es keine Möglichkeit, Informationen direkt in die erste Stufe der Wahrnehmung, den primären sensorischen Kortex, zu "schreiben". Ein Hauptgrund für dieses Problem ist die unspezifische Natur der üblicherweise verwendeten elektrischen Hirnstimulation. In unserem Projekt wollen wir diese Herausforderung überwinden, indem wir Licht und Gentherapie anstelle von Strom zur Stimulation des Gehirns einsetzen. Kürzlich hat das Aufkommen der Optogenetik - einer Technik, die Gehirnzellen für Licht sensibilisiert - eine völlig neue Möglichkeit für hochspezifische und komplexe Hirnstimulationen geschaffen. Durch die Schaffung einer hochdichten Matrix aus 32 mikroskopischen Lichtemittern in Kombination mit Elektroden für die Aufzeichnung werden wir eine neuartige, lichtbasierte Neuroprothese schaffen. Die hohe Anzahl und Dichte solcher Emitter wird durch unsere neuartigen Dünnschicht-LEDs ermöglicht. Anschließend werden wir das Gerät im Tierversuch testen und untersuchen, wie sich erkennbare Sinneswahrnehmungen durch optogenetisch gemusterte Lichtstimulation "nachbilden" lassen. Die Ergebnisse dieser Experimente bilden die Grundlage, um die Technik in Zukunft auf menschliche Patienten zu übertragen.

Optogenetic Read/Write Neuroprosthesis for Sensory Substitution

Increasingly, high density electrode arrays implanted into the brain are being used to help patients with motor impairments. Signals from the electrodes can for example be used to control prostheses. Unfortunately, no such success has been reached for patients with sensory losses. While retina and cochlea implants are successful in patients with some remaining function of the effected organ, as soon as the damage is larger or localized in the brain itself, they fail. Currently there is no possibility to "write” information directly to the first stage of perception, the primary sensory cortex. One major reason for this problem is the unspecific nature of the commonly used electrical brain stimulation. In our project we want to overcome this challenge by using light and gene therapy instead of current to stimulate the brain. Recently, the advent of optogenetics-a technique that sensitizes brain cells to light-has created a completely new opportunity for highly specific and complex brain stimulation. By creating a high density matrix of 32 microscopic light emitters in combination with electrodes for recording, we will create a novel, light based neuroprosthesis. The high number and density of such emitters is made possible by our novel thin-film LEDs. We will then test the device in animals and investigate how to "recreate” discernible sensory percepts by optogenetic patterned light stimulation. The results of these experiments are the basis to translate the technique to human patients in the future.