Wissenschaftler verwenden eine Sonde, die dünner als ein Haar ist, um das menschliche Gehirn zu „überwachen“.

Zusammenfassung:

Laut einem Bericht in der Zeitschrift Nature vom 2. November verändern ultrafeine neuronale Sonden namens Neuropixel die Art und Weise, wie Wissenschaftler das Gehirn untersuchen. Dieses Gerät, das dünner als ein menschliches Haar ist, kann die elektrische Aktivität von Hunderten von Neuronen gleichzeitig aufzeichnen und ermöglicht es Forschern, den Informationsverarbeitungsprozess im Gehirn mit beispielloser Präzision zu beobachten. Gegenwärtig hat diese Technologie aus Tierversuchen schrittweise Einzug in die menschliche Gehirnforschung gehalten.

In einem Operationssaal eines Londoner Krankenhauses versuchen Wissenschaftler, direkt auf das menschliche Gehirn zu „hören“.

Eine Patientin wurde am National Hospital of Neurology and Neurosurgery in London, Großbritannien, einer Shunt-Operation wegen Normaldruckhydrozephalus unterzogen. Während der Operation stimmte sie zu, an einem besonderen Experiment teilzunehmen: Der Arzt führte kurzzeitig eine Neuropixels-Sonde, etwa einen Zentimeter lang und dünner als ein Haar, in das Gehirn ein, um die elektrischen Signale von Neuronen in Echtzeit aufzuzeichnen.

Die Forscher spielten den Patienten dann eine Reihe von Wörtern vor, darunter „toter Winkel“, „Parkplatz“ und „Sparschwein“, um zu sehen, wie das Gehirn die Übergänge zwischen verschiedenen Wörtern verarbeitet und wie sich die Häufigkeit und Vertrautheit der Wörter auf die neuronale Aktivität auswirkt.

Als der Ton im Operationssaal ertönte, veränderte sich die Wellenform des Nervensignals auf dem Überwachungsbildschirm erheblich. Dies bedeutet, dass es Forschern gelungen ist, die Echtzeitreaktion des menschlichen Gehirns auf externe Sprachstimulation durch Sonden zu erfassen.

Wissenschaftler konnten in der Vergangenheit zwar die Elektroenzephalographie oder implantierte Elektroden nutzen, um die Aktivität des menschlichen Gehirns zu überwachen, doch konnten sie oft nur Signale empfangen, die von einer großen Anzahl von Neuronen erzeugt wurden, was es schwierig machte, zu unterscheiden, was einzelne Neuronen taten.

Pierre Bourdillon, Neurochirurg am Rothschild Foundation Hospital in Paris, Frankreich, nutzte eine anschauliche Metapher, um den Durchbruch dieser Technologie zu erklären.

Traditionelle EEG-Überwachung ist so, als würde man an einer belebten Kreuzung ein Mikrofon aufstellen und versuchen, die Gespräche der einzelnen Personen aus dem Durcheinander der Geräusche zu unterscheiden. Neuropixels ähnelt eher der Installation von Mikrofonen am Halsband jeder Person, um die Stimmen verschiedener Personen zu hören.

„Wir fangen gerade erst an, den Punkt zu erreichen, an dem wir individuelle Mikrofone für jeden haben können“, sagte er.

Der entscheidende Durchbruch dieser Technologie besteht darin, dass sie es Wissenschaftlern ermöglicht, die Aktivität einer großen Anzahl einzelner Neuronen gleichzeitig zu beobachten.

Neuropixels wurde erstmals 2017 auf den Markt gebracht und in Zusammenarbeit mit Institutionen wie dem Howard Hughes Medical Institute Janelia Research Park in den Vereinigten Staaten und dem Belgian Microelectronics Research Center (Imec) entwickelt.

Die Neuropixels-Sonde der ersten Generation verfügt über 960 Aufzeichnungsstellen, von denen 384 Signale gleichzeitig lesen können. Sein Sondenkörper aus Silikon ist so dünn wie ein Haar und mit einem Chip in der Größe einer Nano-SIM-Karte verbunden, der für das Lesen, Verstärken und Digitalisieren neuronaler Signale verantwortlich ist.

In frühen Tierversuchen implantierten Wissenschaftler zwei Sonden in die Gehirne von Mäusen und erfassten erfolgreich etwa 700 Neuronen, die in fünf Gehirnregionen gleichzeitig verteilt waren.

Neuropixels 2.0, im Jahr 2021 eingeführt, verbessert die Aufnahmefähigkeiten mit 5120 Aufnahmestellen, von denen 1536 gleichzeitig gelesen werden können, weiter und das Gerät ist leichter geworden.

Mithilfe einer neuen Technologiegeneration konnten Wissenschaftler Zehntausende Neuronen gleichzeitig im Gehirn von Mäusen aufzeichnen und sie in einigen Experimenten über Monate hinweg verfolgen.

Damit können Forscher nicht mehr nur die Aktivität eines lokalen Bereichs des Gehirns beobachten, sondern auch untersuchen, wie verschiedene Gehirnbereiche zusammenarbeiten.

Im Jahr 2025 erzielte eine internationale Verbundforschung umfassendere Ergebnisse.

Zwölf Laboratorien aus den Vereinigten Staaten und Europa führten gemeinsam Forschung durch und nutzten die Neuropixels-Technologie, um die Aktivitäten von mehr als 620.000 Neuronen in 279 Gehirnregionen von 139 Mäusen aufzuzeichnen und eine Karte der neuronalen Aktivität des gesamten Gehirns zu erstellen, die Funktionen wie Sehen, Bewegung und Entscheidungsfindung umfasst.

Untersuchungen haben ergeben, dass

neuronale Signale im Zusammenhang mit Empfindungen, Kognition und Bewegung möglicherweise weiter im Gehirn verteilt sind als bisher angenommen.

Heute werden Neuropixel von etwa 1.700 Laboren auf der ganzen Welt verwendet und die Forschungsobjekte umfassen mehr als 20 Tiere, darunter Mäuse, Zebrafinken, Bartagamen, Eidechsen und sogar Kraken.

Auch in der Primatenforschung hat die Technologie erhebliche Veränderungen mit sich gebracht.

Tirin Moore, Neurowissenschaftlerin an der Stanford University, sagte, dass Forscher vor dem Aufkommen von Neuropixeln normalerweise nur die Aktivität von etwa 20 Primatenneuronen pro Tag aufzeichnen konnten, selbst wenn ihre Experimente gut verliefen. Heute sind sie in der Lage, routinemäßig Daten von mindestens 100 Neuronen aufzuzeichnen.

Moore glaubt, dass die neurowissenschaftliche Forschung an Primaten ohne solche Instrumente weiterhin stark eingeschränkt sein wird.

Derzeit plant das Forschungsteam der Stanford University, mithilfe von Neuropixeln hochauflösende neuronale Aktivitätskarten des visuellen Systems von Makaken zu erstellen, um besser zu verstehen, wie das Gehirn visuelle Informationen verarbeitet.

Es ist erwähnenswert, dass

Neuropixel nicht genau dasselbe sind wie implantierbare Geräte für Gehirn-Computer-Schnittstellenanwendungen.

Derzeit wird es hauptsächlich in der neurowissenschaftlichen Grundlagenforschung eingesetzt und hilft Wissenschaftlern dabei, Prozesse wie Empfindung, Bewegung, Kognition und Entscheidungsfindung zu verstehen, indem es die Neuronenaktivität aufzeichnet. Auch wenn entsprechende Forschungen eine Grundlage für zukünftige Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologien und die Erforschung neurologischer Erkrankungen bilden können, bedeutet dies nicht, dass Neuropixels über ausgereifte klinische Behandlungsfähigkeiten verfügt.

„Nature“ wies darauf hin, dass Neuropixel die Neurowissenschaften auf eine neue Stufe heben: Wissenschaftler können nicht nur beobachten, ob verschiedene Bereiche des Gehirns aktiv sind, sondern auch weiter untersuchen, wie einzelne Neuronen an der komplexen Informationsverarbeitung beteiligt sind.

Von Mäusen über Primaten bis hin zu menschlichen Operationssälen hilft diese haarfeine Sonde Wissenschaftlern dabei, die Arbeitsmechanismen des menschlichen Gehirns mit größerer Präzision zu erforschen.