Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage

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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-Fru ¨ hwarnung

18

5 Hirnprothese

22

6 Neuron-Silizium Kopplung

28

7 Retina-Implant

30

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8 Cochlea-Implant

31

9 Zusammenfassung

32

10 Referenzen

33

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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 Anf¨ alle: 5% aller Menschen

Wie oft treten Anf¨ alle auf ? ⇒ t¨ aglich ⇒ mehrmals pro Woche

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Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage Wie sieht ein epileptischer Anfall aus? ⇒ ⇒ ⇒ ⇒

Stu ¨ rze krampfartiges Zucken der Glieder unkontrollierte Bewegungen Bewußtseinssto ¨rungen

Was sind die Ursachen eines Anfalls? ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒

Aufbausto ¨rungen bzw. Verletzungen der Hirnrinde Tumor genetische Ver¨ anderungen exzessiver Alkoholgenuß starker Schlafentzug Fieber Streß

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Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage

Welche Behandlungsm¨ oglichkeiten gibt es? ⇒ ⇒ ⇒ ⇒

Medikamente Operation Fettdi¨ at Vagus-Nerv-Stimulation

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2

Nervenzellen (Neuronen)

• Signalu ¨bertragungseinheiten • ca. 100 Milliarden im Gehirn • 4 Bereiche • Zellk¨orper • Dendrite • Axon • pra¨synaptische Endigungen

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Axon • Durchmesser: 0.2 − 20µm • Axonhu ¨lle: Myelin- bzw. Markscheide • Aktionsimpulse: • elektrische Signale • Amplitude: 100mV • Dauer: 1ms • werden mit 1 − 100m/s l¨ angs des Axon weitergeleitet

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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 Salzl¨ osung gefu ¨llt (elektr. leitend) ins Zellinnere • Referenzelektrode im Extrazellul¨ arraum (chlorierter Silberdraht)

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Signalweiterleitung ¨ • beruht auf schnellen Anderungen der elektrischen Spannung u ¨ber der Zellmembran (zwischen der Innen- und Außenseite)

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Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage Entstehung des Aktionsimpulses • bei Erregung der Zelle tritt eine Membranspannungs¨ anderung auf • Depolarisationsphase: Potential steigt von Ruhespannung auf Null und daru ¨ber hinaus, Spitze (30mV) • Repolarisation: langsamer Abfall der Spannungswerte • wenn Zellmembran von Ruhespannung auf Schwellenspannung (−50mV) depolarisiert, wird ein Aktionsimpuls ausgel¨ ost • N a+ -Ionen str¨ omen ins Zellinnere ⇒ weitere Depolarisation • K + -Ionen stro ¨men aus Zelle ⇒ Ausgangswert der Membranruhespannung wird wieder hergestellt

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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 fu ¨hrt

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Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage 3

EEG - Elektro Enzephalographie (Hirnstrombild)

• Methode zur Messung der elektischen Gehirnstr¨ ome • Spannungsschwankungen des Gehirns werden abgeleitet Wellenform

Frequenzbereich (Hz)

Intensit¨ at (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

Augen¨ offnen

Gamma (γ)

>30

?

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Ableitungsmethoden • unipolare • bipolare

Verst¨ arker • geringe Signalintensit¨ at (10 − 20µV) ⇒ hohes Signal/St¨ orverh¨ altnis n¨ otig • Verst¨arkungsfaktor 10000 ⇒ 1V Ausgangsspannung • Bandbreite 70Hz, da Signalkomponenten zwischen 0 und 70Hz liegen

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4

Epilepsie-Fru ¨ hwarnung Fiktion

• Chipimplantat • Elektroden hinter Ohr • mit EEG-Daten fu ¨r Anfall typische Schwingungen erkennen • Behandlung: • Neurostimulation • Pumpe setzt Medikamente frei

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Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage Wavelet-Theorie → Benedetto, Pfander in Maryland, USA • Grundlage: Aufzeichnung der Gehirnstro ¨me • Wavelet Transformation: • Zeit-Frequenztransformation des Signals, ¨ ahnlich 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 • St¨arke einzelner Schwingungen (Spikes)

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Probleme fu ¨ r die Anwendung automatischer Mustererkennungsverfahren im EEG • Form des Musters ist abh¨ angig vom Momentanzustand des Patienten • EEG-Signale sind sehr klein und st¨ oranf¨allig ⇒ geringe Zuverl¨ assigkeit

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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 zuverl¨ assig zu prognostizieren sp¨atere Meßwerte lassen sich aus fru ¨heren ableiten

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5

Hirnprothese

→ Berger, Los Angeles • implantierbarer Chip soll als ku ¨nstlicher Hippocampus die Aufgaben der Gehirnregion u ¨bernehmen • Methode: Kopie des Verhaltens ¨ • Uberbr u adigter Gehirnbereiche ¨ckung besch¨

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• Kommunikation u atze von Elektroden (Eingang und ¨ber 2 S¨ Ausgang) mit dem u ¨brigen Nervengewebe • eine Seite: nimmt elektr. Aktivit¨ at auf, die vom Rest des Gehirns eingeht • andere Seite: elektrische Instruktionen werden zuru ¨ck ans Gehirn gesendet • Mensch: Chip auf Sch¨ adelknochen • ethische Fragen: Pers¨ onlichkeits¨ anderung

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Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage Rattenhirn-Nervenzelle auf Silizium-Chip

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• Silizium: Elektronen tragen Strom • Nervenzelle: Ionen tragen Strom • Chipoberfl¨ache: Siliziumdioxid • Skalierungsbalken: 20µm Melanie Bernert

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→ Fromherz h¨alt Hirnprothese fu ¨r Zukunftsmusik • Kopplung von Halbleiter-Chips mit Neuronen im Mikrometerbereich • einzelne Zellen mu ¨ssen analysiert und aktiviert werden • Schnecke, Ratte: jede Nervenzelle hat individuelle Bedeutung • Mensch: Wird Steuerung durch Einzelneurone oder durch Gruppen geleistet?

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Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage Schneckennervenzelle auf CMOS-Chip → Fromherz, Max-Plank-Institut und Infineon

• Chipgr¨oße: 1mm2 • Transistoren: 128 x 128

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6

Neuron-Silizium Kopplung Signalu ¨ bertragung vom Neuron zum Silizium

• wa¨hrend 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 ver¨ andert Source-Drain-Strom

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Signalu ¨ bertragung 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 Ionenkana¨le) ⇒ Aktionsimpuls wird ausgel¨ ost

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Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage 7

Retina-Implant

→ in Entwicklung • lernf¨ahige Sehprothese • Funktion der Netzhaut u ¨berbru ¨cken bzw. ersetzen • Brille mit integriertem Kamera-Chip und Neurocomputer-Chip • Kamera nimmt Bilder auf • Retina Encoder wandelt diese in Pulsfolgen um und u agt sie ¨bertr¨ drahtlos ins Augeninnere • Augeninnere: flexible Folie mit Empf¨ angerchips, Stimulationselektronik und Minielektroden zur Reizung der innersten Netzhautschicht • Sehwahrnehmung optimieren mit Dialogkonsole

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Nerven, Reizableitung, Neuroprothesen und Epilesievorhersage 8

Cochlea-Implant

→ schon in Einsatz • elektrische Innenohr-Prothese, in Knochen hinter Ohr implantiert • Funktion des gesch¨ adigten Innenohrs ersetzen • Funktion der Ho ¨rnerven muß intakt sein • Schall wird in elektrische Impulse umgewandelt • Schallverarbeitung erfolgt im Sprachprozessor • du ¨nne Elektrode wird direkt in Innenohr vorgeschoben und erregt H¨ornerv

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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

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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

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• 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

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