Transparenter 3D-gedruckter Schädel bietet ein Fenster zum Gehirn

Forscher der University of Minnesota haben ein einzigartiges, transparentes 3D-gedrucktes Schädelimplantat für Mäuse entwickelt, das die Möglichkeit bietet, die Aktivität der gesamten Gehirnoberfläche in Echtzeit zu beobachten. Das Gerät ermöglicht eine grundlegende Hirnforschung, die neue Erkenntnisse für Erkrankungen des Gehirns wie Gehirnerschütterungen, Alzheimer- und Parkinson-Krankheit liefern könnte.

Die Forschung wird in Nature Communications veröffentlicht. Forscher planen auch, das Gerät, das sie See-Shell nennen, zu kommerzialisieren.

„Wir versuchen zu sehen, ob wir große Teile der Hirnoberfläche der Maus, den sogenannten Cortex, über einen längeren Zeitraum visualisieren und damit interagieren können. Dies gibt uns neue Informationen über die Funktionsweise des menschlichen Gehirns“, sagte Suhasa Kodandaramaiah, Ph.D., Mitautor der Studie und Benjamin Mayhugh, Professor an der University of Minnesota, am College of Science and Engineering. “Diese Technologie ermöglicht es uns, den Großteil des Kortex mit beispielloser Kontrolle und Präzision in Aktion zu sehen, während er bestimmte Teile des Gehirns stimuliert.”

In der Vergangenheit haben die meisten Wissenschaftler kleine Bereiche des Gehirns untersucht und versucht, sie im Detail zu verstehen. Die Forscher stellen jedoch fest, dass das, was in einem Teil des Gehirns passiert, wahrscheinlich auch andere Teile des Gehirns gleichzeitig beeinflusst.

In einer ihrer ersten Studien mit dem See-Shell-Gerät wird untersucht, wie milde Gehirnerschütterungen in einem Teil des Gehirns andere Teile des Gehirns beeinflussen, wenn sie sich strukturell und funktional reorganisieren. Kodandaramaiah sagte, dass das Gehirn von Mäusen in vielerlei Hinsicht dem menschlichen Gehirn sehr ähnlich ist, und dieses Gerät öffnet die Tür für ähnliche Forschungen an Mäusen, die sich mit degenerativen Gehirnerkrankungen befassen, die den Menschen betreffen, wie Alzheimer oder Parkinson.

Die Technologie ermöglicht es den Forschern, zum ersten Mal globale Veränderungen mit einer beispiellosen Zeitauflösung zu sehen. In einem mit diesem Gerät erzeugten Video entsprechen die Helligkeitsänderungen im Gehirn der Maus einem Anwachsen und Abnehmen der neuronalen Aktivität. Dezente Blitze sind Perioden, in denen das gesamte Gehirn plötzlich aktiv wird. Die Forscher versuchen immer noch, den Grund für eine solche global koordinierte Aktivität und ihre Bedeutung für das Verhalten zu verstehen.

“Dies sind Studien, die wir nicht beim Menschen durchführen konnten, aber sie sind äußerst wichtig für unser Verständnis der Funktionsweise des Gehirns, damit wir die Behandlung von Menschen verbessern können, die unter Hirnverletzungen oder -erkrankungen leiden”, sagte Dr. med. Timothy Ebner. D., Mitautor der Studie und Professor an der University of Minnesota und Leiter der Abteilung für Neurowissenschaften der Medizinischen Fakultät.

Um die See-Shell herzustellen, scannten die Forscher die Oberfläche des Mausschädels digital und erstellten dann mithilfe der digitalen Scans einen künstlichen transparenten Schädel, der die gleichen Konturen wie der ursprüngliche Schädel hat. Während einer präzisen Operation wird die Oberseite des Mausschädels durch das 3D-gedruckte transparente Schädelgerät ersetzt. Mit dem Gerät können Forscher die Gehirnaktivität gleichzeitig aufzeichnen und gleichzeitig das gesamte Gehirn in Echtzeit abbilden.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung dieses Geräts besteht darin, dass der Körper der Maus das Implantat nicht abgestoßen hat. Dies bedeutet, dass die Forscher das gleiche Mausgehirn über mehrere Monate hinweg untersuchen konnten. Mehrmonatige Studien an Mäusen ermöglichen Forschern die Untersuchung der Alterung des Gehirns auf eine Weise, die Jahrzehnte dauern würde, um am Menschen zu studieren.

“Mit diesem neuen Gerät können wir die Hirnaktivität auf der kleinsten Ebene betrachten, indem wir auf bestimmte Neuronen zoomen und gleichzeitig einen Großteil der Hirnoberfläche mit der Zeit im Blick haben”, sagte Kodandaramaiah. “Die Entwicklung des Geräts und das Zeigen, dass es funktioniert, ist nur der Anfang dessen, was wir tun können, um die Hirnforschung voranzubringen.”