Experiment: Neuroprothesen

Hintergrund

Neuroprothesen wurden in den letzten Jahren stark verbessert und sind eines der aufregendsten Forschungsgebiete des 21. Jahrhundert! Hmm, aber vielleicht fragst du dich gerade: "Was zum Henker sind Neuroprothesen?" Eine Neuroprothese is ein Gerät, das die Funktion eines beschädigten Körperteils übernimmt indem es vom Nervensystem Signale abgreift. Zum Beispiel bekam Luke Skywalker in "Das Imperium schlägt zurück - The Empire Strikes Back" einen Roboterarm, nachdem ihn Darth Vader abgehackt hat. Und da ja Luke Skywalker seinen Roboterarm einfach nur durch "nachdenken" kontrollieren konnte, musste er ja ohne Zweifel mit seinem Gehirn verbunden gewesen sein.

Es bleibt weiterhin ein Geheimnis der Wissenschaft: Nervenzellen im Gehirn und der Wirbelsäule von Säugetieren wachsen nicht nach. Bis jetzt hat man nur im Hippocampus (Errinerungszentrum) und in unserem olfaktorischen Teil (Geruch) kleine Populationen von Nervenzellen gefunden, die "frisch" gebildet wurden.

Durch neue Technologien kann man im Gehirn oder der Wirbelsäulen den Ort der Verletzung umgehen indem man ihn elektronisch überbrückt und den Schaltkreis mit einem Computer steuert. Zum Beispiel, wenn man sich einen Wirbel bricht, kann das zur Querschnittslähmung führen und man ist an einen Rollstuhl gebunden. Die Muskeln in den Beinen sind immer noch lebendig und das Gehirn kann auch immer noch das Kommando "Ich will mein Bein bewegen" aussenden. Die Nachricht kann aber nicht vom Gehirn zum Bein geschickt werden, da die Wirbelsäule mit den darin liegenden Nerven beschädigt ist.

Wenn man das Signal vom Gehirn auslesen kann und damit einen Muskel oder ein Roboterteil bewegt, hat man eine Neuroprothese! Eine Forschergruppe aus Pittsburgh hat dieses Verfahren benutzt, um einen Affen mit implantierten Elektroden zu trainieren, dass er mit einem Roboterarm essen kann.

Wir werden euch die Grundprinzipien der Neuroprothesen nahe bringen indem wir zwei natürliche Kakerlakenbeine benutzen.

Video

Ablauf

Zusätzlich zu der oben genannten Ausrüstung, braucht ihr noch ein T Stück für Audio Kabel (2 Klinkenbuchsen auf 1 Klinkenstecker) und 2 kleine Lautsprecher mit Klinkeneingang. Als Erstes steckst du eine Kakerlake in Eiswasser bis sie sich nicht mehr bewegt. Danach entnimmst du ihr ihre beiden Hinterbeine. Anschließen lässt du sie sofort in ihr Zuhause und wird ihre Wissenschaftskarriere beenden. Zwei Beine ist das Maximum, was diese wiederstandsfähigen Tiere gleichzeitig "abgeben" können. Mit 4 Beinen kommt eine Kakerlake klar und erinner dich daran, dass die Beine nach etwa 120 Tagen komplett zurückgewachsen sind. Nun platziere die beiden Kakerlakenbeine auf das Korkstück deiner SpikerBox und benutze den klassischen Aufbau bei einem der zwei Beine. Danach:

1. Steck das T Stück in die SpikerBox.
2. Nimm die beiden Klinkekabel und steck' sie in das T-Stück.
3. Verbinde die beiden Lautsprecher/Verstärker mit den anderen Enden der Kabel. Einer der Lautsprecher/Verstärker ist dafür da, den Aktionspotentialen zu lauschen während dem Experiment zu lauschen und der andere Lautsprecher/Verstärker ist für die Stimulation des zweiten Beines zuständig (die SpikerBox allein generiert nicht genug Spannung für die Stimulation und deswegen muss das Signal verstärkt werden).
4. Steck' das Stimulationskabel in einen der Verstärker.
5. Platziere zwei Stecknadeln in dem zweiten Kakerlakenbein und verbinde das Stimulationskabel mit den beiden Stecknadeln.
6. Schalte einen der beiden Verstärker/Lautsprecher an, um die Spikes zu hören und dann schalte den anderen Verstärker/Lautsprecher ein (der "stimulierende" Verstärker). Das stimulierende Bein wird kurz zucken beim Anschalten, da Kapazitätsveränderungen auftreten sobald der Verstärker angeschaltet wird. Durch langsames Hochdrehen der Lautstärke des stimulierenden Verstärkers fängt das zweite Bein an, sich zu bewegen. Dreh' die Lautstärke wieder runter bis du genau den Schwellenpunkt findest an dem du keine Bewegung siehst.
7. Jetzt kannst du stimulierende Bein stimulieren. Das heißt, dass du das mit der SpikerBox verbundene Bein mit einem nicht leitenden Gegenstand berühren sollst! Was siehst du? Siehst du irgendeinen Zusammenhang zwischen der Anzahl der Aktionspotentiale mit den Bewegungen, die du siehst?

Vielen Dank an die Schüler der Clarkston Math, Science, and Technology Academy, dass ihr uns auf die Idee gebracht habt dieses Experiment zu entwickeln, um die Grundfunktionsweise von Neuroprothesen anschaulich darstellen zu können. Wir würden ja gern sagen, dass wir die Ersten waren, die dieses Experiment durchgeführt haben, aber unsere Freunde Mohsen Omrani und Ethan Heming an der Queens University in Kinston, Ontario haben zufällig am selben Tag ganze 3 Stunden vor uns eine Demonstration durchgeführt [25.5.2011]!

Viel Spaß beim Experimentieren! Lasst uns wissen, was ihr findet!

2013 Update

Anstelle des Kakerlakenbeins kann man auch ein menschliches EMG (menschliches Elektromyogramm) als Stimulationssignal benutzen (EMG). Benutzt dafür unsere EMG SpikerBox. Mit diesem Aufbau brauch ihr nur einen Lautsprecher/Verstärker, da man mit der EMG SpikerBox genug Spannung erzeugt um das Kakerlakenbein zum Bewegen zu bringen. Du musst nur das Stimulationskabel in die EMG SpikerBox stecken und schon kanns losgehen!

Immer noch nicht genug?