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Durham (USA) - Erstmals ist es Wissenschaftlern gelungen, über ein Hirn-zu-Hirn-Interface die Gehirne zweier lebender Ratten derart miteinander zu verbinden, dass Berührungs- und Bewegungsinformationen von einem Tier zum anderen übertragen werden konnten und dass, auch wenn sich die beiden Nager Tausende von Kilometern voneinander entfernt befanden. Dies sehen die Forscher als ersten Schritt hin zu einer Art "organischem Computer", in dem mehrere Gehirne miteinander verknüpft werden sollen, um Informationen auszutauschen – mit noch nicht absehbaren möglichen Folgen.

Wie die Forscher um den Neurologen Miguel Nicolelis von der Duke University School of Medicine aktuell um Fachjournal "Scientific Reports" berichten. Gelang die Hirn-Verbindung zwischen zwei Ratten, von denen sich die eine in Durham im US-Bundesstaat North Carolina und die andere im brasilianischen Natal befand.

Erst kürzlich hatten die Forscher festgestellt, dass sich das Rattenhirn in Experimenten erstaunlich "plastisch" verhielt und es den Wissenschaftlern möglich war, Ratten über einen externen, mit dem Rattenhirn verbundenen Sensor, die Fähigkeit zu verleihen, infrarotes Licht wahrzunehmen (...wir berichteten). "In einem nächsten Schritt hatten wir uns dann gefragt, ob das Gehirn auch in der Lage sein würde, Informationen anzunehmen und umzusetzen, die mittels Sensoren aus einem anderen Körper heraus übertragen wurden", so Nicolelis.

Um diese Hypothese zu testen, wurde einem Rattenpaar zunächst die Lösung einer einfachen Aufgabe beigebracht, bei der die Tiere immer dann den richtigen von verschiedenen Schaltern drücken mussten, wenn ein darüber angebrachtes Licht aufleuchtete und die erfolgreiche Handhabung dieser Aufgabe mit einer Drinkbelohnung belohnt wurde.

In einem nächsten Schritt verbanden die Forscher dann jene Hirnregionen der beiden Tiere durch Mikroelektroden miteinander, die für die Verarbeitung von Bewegungsinformationen verantwortlich sind.

Dem von den Forschern sozusagen als "Impulsgeber" bzw. "Sender" ausgewählten Tier wurde dann in einer separaten Kammer das zuvor antrainierte Lichtsignal gezeigt. Sobald dieses Tier dann den richtigen Schalter betätigte, aktivierte sich auch die entsprechende Hirnregion um die Verhaltensentscheidung des Tieres in ein Muster aus elektrischer Stimulation umzuwandeln, die dann wiederum unmittelbar auf das Hirn der "Empfänger"-Ratte übertragen wurde.

Tatsächlich drückte auch diese Empfänger-Ratte den jeweils richtigen Schalter, obwohl in ihrer Kammer überhaupt keine Lichter über den Schaltern angebracht waren - und das mit einer Trefferquote von etwa 70 Prozent. Damit lag das Ergebnis nur unwesentlich unterhalb der von den Forschern erwarteten maximalen Erfolgsrate von 78 Prozent.

Damit der "Empfänger" ein derartiges Ergebnis erzielen konnte, so die Forscher, muss das Tier auf die durch das Hirn-zu-Hirn-Interface übertragenen Informationen zurückgegriffen haben. Durch weitere Beobachtungen stellten die Forscher zudem fest, dass diese Informationsübertragung in beide Richtungen funktionierte. Dadurch, dass die "Sender"-Ratte immer dann nicht die vollständige Menge der Trinkbelohnung erhielt, wenn der "Empfänger" den falschen Schalter betätigte, entstand zudem einer Art von "Verhaltens-Zusammenarbeit" zwischen den beiden Ratten, deren Ergebnis die Verbesserung der gemeinsamen Leistung war, berichten die Forscher.

In einem zweiten Experiment sollten ein entsprechend trainiertes und präpariertes bzw. verbundenes Rattenpaar anhand ihrer Schnurrhaare zwischen einer engen und einer breiten Öffnung unterscheiden. In diesen Experimenten war es nicht die mit der Bewegungswahrnehmung verbundene Hirnregion, sondern die, die mit dem Tatsinn der Tiere assoziiert wird, welche die Forscher mit der entsprechenden Hirnregion der Partnerratte verbanden. Auch in diesem Experiment lagen die Tiere mit einer 65-prozentigen korrekten Trefferquote über der zu erwarteten statistischen Zufallserwartung.

Durch die räumliche Trennung der beiden Ratten (Sender und Empfänger) konnten die Forscher zudem nachweisen, dass die Verbindung der beiden Gehirne auch über weite Distanzen funktioniert. Selbst als sich eine Ratte in Durham und die andere in einem Labor im brasilianischen Edmond and Lily Safra International Institute of Neuroscience of Natal (ELS-IINN) befand, funktionierte die neurale Zusammenarbeit der Ratten. "Das zeigt uns, dass es durchaus möglich wäre, ein funktionierendes Netzwerk aus Tiergehirnen an verschiedenen Orten zu erzeugen", erläutert der Erstautor der Studie Miguel Pais-Vieira. "Kurz gesagt, können wir also eine Art organischen Computer herstellen, der Aufgaben lösen kann", so Nicolelis.

Allerdings, so erläutern die Forscher weiter, "übertragen wir in diesem Fall und bislang noch eine konkreten Instruktionen sondern vielmehr die Signale der von einer Ratte getroffenen Entscheidungen, anhand derer die andere Ratte dann die Aufgabe an einem anderen Ort lösen kann. (...) Wir erzeugen also ein einzelnes zentrales Nervensystem aus den Gehirnen zweier Ratten." Ein solches System, so Nicolelis, sei aber nicht nur auf zwei Gehirne beschränkt, sondern könnte aus einem ganzen Netzwerk von Tieren und ihren entsprechenden Gehirnen bestehen. An entsprechenden "Hirn-Netzwerken" wollen die Forscher nun in einem nächsten Schritt arbeiten und hoffen, mit diesen dann auch komplexere Aufgaben lösen zu können.

"Bislang können wir noch nicht vorhersagen, welche Eigenschaften sich entwickeln werden, wenn die Tiere damit beginnen, als Teil eines solchen Hirn-Netzwerkes zu interagieren", so Nicolelis weiter. Theoretisch sei aber vorstellbar, dass die Kombination mehrerer Gehirne ein Einzeltier, das Teil dieses Netzwerks ist, in die Lage versetzt, Aufgaben zu meistern, die es alleine nicht zu lösen fähig wäre, spekuliert der Neurologe. "Eine solche Art der Verbindung könnte sogar bedeuten, dass ein Tier die Selbstwahrnehmung eines anderen Tieres übernehmen könnte." Erste Anzeichen dafür seien in den jüngsten Experimenten bereist deutlich geworden.

Die sich aus diesen Experimenten möglicherweise ergebenden Grundlagen sieht Nicolelis als gänzlich neues Forschungsfeld, das er "Neurophysiologie sozialer Interaktion" nennt. Diese sollen eines Tages u.a. auch dabei helfen, gelähmte Menschen wieder in die Lage zu versetzen, eigenständig gehen zu können. Zumindest sind die frankensteinesque anmutenden Experimente Nicolelis Teil des "Walk Again Projects" mit genau diesem Ziel...


US-Forschern ist die elektronische Verbindung zweier Rattenhirne gelungen (Illu.). | Copyright: Katie Zhuang, Nicolelis Labs, Duke University

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Wissenschaftler lesen Gedanken von Ratten und sagen Entscheidungen voraus:


Symbolbild: Labor-Ratten.
Copyright: Sarah Fleming (via WikimediaCommons) / CC BY-SA 2.0
Klosterneuburg (Österreich) – Neurologen ist es gelungen, anhand von Hirnaktivitätsmustern sozusagen die Gedanken von Versuchsratten zu lesen und anhand der Beobachtungen vorherzusagen, in welche Richtung sich das Tier in einem nächsten Schritt innerhalb eines Labyrinths bewegen und wann die Ratte einen Fehler machen wird.

Wie das Team um Jozsef Csicsvari und vom Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) aktuell im Fachjournal „Neuron“ (DOI: 10.1016/j.neuron.2018.11.015) berichtet, haben sie zunächst beobachtet, dass bestimmte Hirnaktivitäten der Richtungsentscheidung der Tiere vorausgehen.
Schon 2014 beobachteten John O’Keefe, May-Britt Moser und Edvard Moser, dass sog. Platzzellen Signale senden, wenn wir uns an einer bestimmten Position befinden – diese Entdeckung brachte den Wissenschaftlern damals den Nobelpreis für Medizin ein. Basierend darauf, welche Platzzelle feuert, können Wissenschaftler bestimmen, wo sich eine Ratte befindet.

Als die Forscher die Tiere dann in einem den Tieren aus vorigen Tests bekannten achtarmigen Labor-Labyrinth aussetzten, von denen drei Arme Futterbelohnungen enthielten, gelang es ihnen anhand dieser Beobachtungen nicht nur die Position der Ratten zu bestimmen, sondern nun auch vorherzusagen, für welchen Weg sich die Ratten jeweils als nächstes entscheiden würden – je nachdem, welches Neuron feuert während die Ratte eine Aufgabe löst, die ihr sog. Referenzgedächtnis testet.

Laut den Forschern trennt diese Aufgabe zwei verschiedene Formen des räumlichen Gedächtnisses: Referenz- und Arbeitsgedächtnis. „Das Referenzgedächtnis ist der Speicher, der es einer Ratte ermöglicht, sich daran zu erinnern, welche Arme Belohnungen enthalten und welche nicht. Das Arbeitsgedächtnis ist das Gedächtnis, das den Überblick darüber behält, welche Arme die Ratte noch nicht besucht hat und welche sie bereits besucht hat.“

Die Forscher testeten also das reine Arbeitsgedächtnis, indem sie das Experiment so modifizierten, dass nur Labyrinth-Arme die Belohnungen enthielten, geöffnet waren. Alternativ testeten sie das reine Referenzgedächtnis, indem sie bereits besuchte Arme schlossen.

Danach fragten die Wissenschaftler, wie die Zellen feuern, wenn Ratten durch ein Labyrinth navigieren, und wie sich das Feuern zwischen Referenz- und Arbeitsgedächtnisaufgaben unterscheidet.

„In der Mitte des Labyrinths, bevor die Ratte den nächsten Arm betritt, entspricht die Abfolge der Zellen, die feuern, entweder der Route im zuletzt besuchten Arm genommen oder dem Arm, durch den die Ratte als nächstes laufen wird“, erläutern Csicsvari und Kollegen. „Bei den Tests des Referenzspeichers entspricht die Sequenz dem nächsten Labyrinth-Arm, den die Ratte besuchen wird. Das gibt den Forschern einen Einblick in die unmittelbaren Pläne der Ratte.“ Das Versuchstier denkt also an einen anderen Ort als den, an dem es sich befindet, wodurch die Forscher vorhersagen können, welchen Arm des Labyrinths die Ratte als nächstes betreten wird.

Tatsächlich können die Forscher damit aber nicht nur vorhersagen, wohin die Ratte als nächstes gehen wird, sie wissen auch, wann die Ratte einen Fehler machen wird: „Wenn die Ratte einen Fehler macht, erinnert sie sich an einen zufälligen Weg. Basierend auf den Platzzellen können wir vorhersagen, dass die Ratte einen Fehler machen wird, bevor sie ihn begeht”, erklärt Csicsvari. Die Vorhersage funktioniere allerdings nicht bei Aufgaben, die den Arbeitsspeicher testen: „Bei diesen entspricht das Feuern der Platzzellen jenem Arm, den das Tier zuletzt besucht hat.“

Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass das Gehirn verschiedene Strategien zur Lösung von Referenz- und Arbeitsgedächtnisaufgaben einsetzt. “Mit dem Referenzspeicher navigiert das Gehirn und erinnert sich ‘das ein Ort ist, den ich besuchen muss‘. Dabei wird der Hippocampus genutzt, der für räumliche Aufgaben wichtig ist. Der Arbeitsspeicher ist abstrakter, jeder Ort ist ein Punkt auf der Liste zu besuchender Orte. Der Hippocampus signalisiert wahrscheinlich dem präfrontalen Kortex, wo die Ratte war, und der präfrontale Kortex verfolgt, welche Gegenstände er ‚abhaken‘ kann”, fasst Csicsvari abschließend zusammen.

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