Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage
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Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage Inhaltsverzeichnis 1 Epilepsie 4 2 Nervenzellen (Neuronen) 7 3 EEG - Elektro Enzephalographie (Hirnstrombild) 15 4 Epilepsie-Frühwarnung 18 5 Hirnprothese 22 6 Neuron-Silizium Kopplung 28 7 Retina-Implant 30 Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage 8 Cochlea-Implant 31 9 Zusammenfassung 32 10 Referenzen 33 Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage 1 Epilepsie Was ist Epilepsie? ⇒ chron. Krankheit des zentralen Nervensystems Wie viele Menschen leiden unter Epilepsie? ⇒ 800 Tsd. in D ⇒ 50 Millionen weltweit ⇒ einmalige Anfälle: 5% aller Menschen Wie oft treten Anfälle auf ? ⇒ täglich ⇒ mehrmals pro Woche Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage Wie sieht ein epileptischer Anfall aus? ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ Stürze krampfartiges Zucken der Glieder unkontrollierte Bewegungen Bewußtseinsstörungen Was sind die Ursachen eines Anfalls? ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ Aufbaustörungen bzw. Verletzungen der Hirnrinde Tumor genetische Veränderungen exzessiver Alkoholgenuß starker Schlafentzug Fieber Streß Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage Welche Behandlungsmöglichkeiten gibt es? ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ Medikamente Operation Fettdiät Vagus-Nerv-Stimulation Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage 2 Nervenzellen (Neuronen) • Signalübertragungseinheiten • ca. 100 Milliarden im Gehirn • 4 Bereiche • Zellkörper • Dendrite • Axon • präsynaptische Endigungen Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage Axon • Durchmesser: 0.2 − 20µm • Axonhülle: Myelin- bzw. Markscheide • Aktionsimpulse: • elektrische Signale • Amplitude: 100mV • Dauer: 1ms • werden mit 1 − 100m/s längs des Axon weitergeleitet Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage Membranruhespannung • negative Spannung, innen gegen außen gemessen (-40 - -80 mV) • resultiert aus ungleicher Ionenverteilung von N a+ und K + Messen der Membranspannung • Glaskapillare (Spitze: 1µm) mit Salzlösung gefüllt (elektr. leitend) ins Zellinnere • Referenzelektrode im Extrazellulärraum (chlorierter Silberdraht) Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage Signalweiterleitung • beruht auf schnellen Änderungen der elektrischen Spannung über der Zellmembran (zwischen der Innen- und Außenseite) Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage Entstehung des Aktionsimpulses • bei Erregung der Zelle tritt eine Membranspannungsänderung auf • Depolarisationsphase: Potential steigt von Ruhespannung auf Null und darüber hinaus, Spitze (30mV) • Repolarisation: langsamer Abfall der Spannungswerte • wenn Zellmembran von Ruhespannung auf Schwellenspannung (−50mV) depolarisiert, wird ein Aktionsimpuls ausgelöst • N a+ -Ionen strömen ins Zellinnere ⇒ weitere Depolarisation • K + -Ionen strömen aus Zelle ⇒ Ausgangswert der Membranruhespannung wird wieder hergestellt Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage Nochmal: Wie entsteht ein epileptischer Anfall? • wenn sich Impulse unkontrolliert ausbreiten kann ein einziges Ausgangssignal in Millionen von Nervenzellen eine entsprechende elektrische Antwort hervorrufen • paroxsymale (anfallsartige), kortikale (von der Gehirnrinde ausgehende) Entladung elektrischer Potentiale die zu einer schnellen Abnahme der normalen Membranspannung führt Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage 3 EEG - Elektro Enzephalographie (Hirnstrombild) • Methode zur Messung der elektischen Gehirnströme • Spannungsschwankungen des Gehirns werden abgeleitet Wellenform Frequenzbereich (Hz) Intensität (µV) Zustand Delta (δ) 1-4 100-150 Tiefschlaf Theta(θ) 4-7 50-100 Schlaf Alpha (α) 8-13 30 geschlossene Augen Beta (β) 14-30 10 Augenöffnen Gamma (γ) >30 ? Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage Ableitungsmethoden • unipolare • bipolare Verstärker • geringe Signalintensität (10 − 20µV) ⇒ hohes Signal/Störverhältnis nötig • Verstärkungsfaktor 10000 ⇒ 1V Ausgangsspannung • Bandbreite 70Hz, da Signalkomponenten zwischen 0 und 70Hz liegen Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage 4 Epilepsie-Frühwarnung Fiktion • Chipimplantat • Elektroden hinter Ohr • mit EEG-Daten für Anfall typische Schwingungen erkennen • Behandlung: • Neurostimulation • Pumpe setzt Medikamente frei Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage Wavelet-Theorie → Benedetto, Pfander in Maryland, USA • Grundlage: Aufzeichnung der Gehirnströme • Wavelet Transformation: • Zeit-Frequenztransformation des Signals, ähnlich der Fourier-Transformierten • vor Transformation: Multiplikation des Signals mit Fensterfunktion • Zeitbereich wird parallel mit vielen Wavelets (von Mutter-Wavelet) abgeleitet, multipliziert • wesentliche Merkmale des Signals lassen sich ablesen • Stärke einzelner Schwingungen (Spikes) Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage Probleme für die Anwendung automatischer Mustererkennungsverfahren im EEG • Form des Musters ist abhängig vom Momentanzustand des Patienten • EEG-Signale sind sehr klein und störanfällig ⇒ geringe Zuverlässigkeit Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage Chaos-Theorie → Elger, Bonn • Grundlage: die im Gehirn gemessenen Schwingungen • Korrelationsdimension ermitteln • hoch: System ist komplex und schwer vorhersagbar Meßwerte stehen in keinerlei Beziehung zueinander • niedrig: System ist unkompliziert und zuverlässig zu prognostizieren spätere Meßwerte lassen sich aus früheren ableiten Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage 5 Hirnprothese → Berger, Los Angeles • implantierbarer Chip soll als künstlicher Hippocampus die Aufgaben der Gehirnregion übernehmen • Methode: Kopie des Verhaltens • Überbrückung beschädigter Gehirnbereiche Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage • Kommunikation über 2 Sätze von Elektroden (Eingang und Ausgang) mit dem übrigen Nervengewebe • eine Seite: nimmt elektr. Aktivität auf, die vom Rest des Gehirns eingeht • andere Seite: elektrische Instruktionen werden zurück ans Gehirn gesendet • Mensch: Chip auf Schädelknochen • ethische Fragen: Persönlichkeitsänderung Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage Rattenhirn-Nervenzelle auf Silizium-Chip Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage • Silizium: Elektronen tragen Strom • Nervenzelle: Ionen tragen Strom • Chipoberfläche: Siliziumdioxid • Skalierungsbalken: 20µm Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage → Fromherz hält Hirnprothese für Zukunftsmusik • Kopplung von Halbleiter-Chips mit Neuronen im Mikrometerbereich • einzelne Zellen müssen analysiert und aktiviert werden • Schnecke, Ratte: jede Nervenzelle hat individuelle Bedeutung • Mensch: Wird Steuerung durch Einzelneurone oder durch Gruppen geleistet? Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage Schneckennervenzelle auf CMOS-Chip → Fromherz, Max-Plank-Institut und Infineon • Chipgröße: 1mm2 • Transistoren: 128 x 128 Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage 6 Neuron-Silizium Kopplung Signalübertragung vom Neuron zum Silizium • während des Aktionspotentials fließt Strom durch die Membran der Kontaktregion • Gesamtstrom muß durch Widerstand der Elektrolytschicht zwichen Zelle und Chip ⇒ Spannung • Spannung spielt die Rolle einer Gate-Spannung und verändert Source-Drain-Strom Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage Signalübertragung vom Silizium zum Neuron • Spannungsprung an hochdotierte Halbleiterregion unter Zelle anlegen ⇒ kapazitiver Stromstoß fließt durch Oxid und Membran • Spannungsentstehung relaxiert schnell, wegen der leitenden Elektrolytschicht des Kontakts • Spannungspuls wirkt auf Membran (spannungsgesteuerte Ionenkanäle) ⇒ Aktionsimpuls wird ausgelöst Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage 7 Retina-Implant → in Entwicklung • lernfähige Sehprothese • Funktion der Netzhaut überbrücken bzw. ersetzen • Brille mit integriertem Kamera-Chip und Neurocomputer-Chip • Kamera nimmt Bilder auf • Retina Encoder wandelt diese in Pulsfolgen um und überträgt sie drahtlos ins Augeninnere • Augeninnere: flexible Folie mit Empfängerchips, Stimulationselektronik und Minielektroden zur Reizung der innersten Netzhautschicht • Sehwahrnehmung optimieren mit Dialogkonsole Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage 8 Cochlea-Implant → schon in Einsatz • elektrische Innenohr-Prothese, in Knochen hinter Ohr implantiert • Funktion des geschädigten Innenohrs ersetzen • Funktion der Hörnerven muß intakt sein • Schall wird in elektrische Impulse umgewandelt • Schallverarbeitung erfolgt im Sprachprozessor • dünne Elektrode wird direkt in Innenohr vorgeschoben und erregt Hörnerv Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage 9 Zusammenfassung • Biologische Situation: Neuron, Axon, Dendrit • EEG: Nervenzellen zusehen • Grundlagenforschung: Kopplung von Nervenzellen mit Halbleiter-Chip • Entwicklung: Retina-Implant • Verwendete Verfahren: Cochlea-Implant, Herzschrittmacher Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage 10 Referenzen • K. Meyer-Waarden - Bioelektrische Signale und ihre Ableitverfahren • E. Kandel, J. Schwartz, T. Jessell - Neurowissenschaften • R. Waser - Nanoelectronics and Information Technology • http://www.schwerhoerigennetz.de/RATGEBER/MEDIZIN/CI/cochlear.htm • http://www.iip-tec.com/iip/CMS/Retina • http://www.gesundheit.de/roche/ro25000/r26614.html • http://www.vobs.at/bio/a-phys/a-neuro-1.htm Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren” Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage • http://www.pro-physik.de/Phy/pdfs/ISSART11747DE.PDF • http://www.biochem.mpg.de/mnphys/publications /03eve/abstract.html • http://www.biochem.mpg.de/mnphys/publications /01zecfro/abstract.html • http://www.biochem.mpg.de/mnphys/publications /01fro/abstract.html Melanie Bernert Seminar “Elektrische und optische Sensoren”
