Entwickeltes Material kann durchtrennte Nerven wieder verbinden

• Forschende der Rice University testeten die Fernstimulation von Neuronen und die Verbindung eines durchtrennten Ischiasnervs bei Mäusen mit einem magnetoelektrischen Material, das Magnetfelder in elektrische Felder umwandelt
• Das neue Material zeigt eine 120-fach schnellere Umwandlung als bisherige ähnliche Materialien und zielt auf Probleme bei Signalform und Frequenz, auf die Neuronen bisher nur schwer reagieren konnten
• Die Struktur basiert auf einer piezoelektrischen Schicht aus lead zirconium titanate und einer magnetostriktiven Schicht aus Metglas; zur Erzeugung nichtlinearer elektrischer Signale werden platinum, hafnium oxide und zinc oxide aufgeschichtet
• Um das gesamte Bauelement zu verkleinern, ist ein Herstellungsprozess für dünne Schichten von weniger als 200 nm nötig; langfristig ist eine injizierbare Form für den gewünschten Ort das Ziel
• Dieser Ansatz könnte die Invasivität von Therapien zur Nervenstimulation senken und außerdem zu Anwendungen außerhalb der Bioelektronik führen, etwa in Sensorik, Speichertechnik und Elektronik

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Nerven per magnetoelektrischem Material aus der Ferne stimulieren

• Magnetoelektrische Materialien können Magnetfelder in elektrische Felder umwandeln und gelten daher seit Längerem als Kandidaten für Therapien, die Nervengewebe minimalinvasiv stimulieren
• Eine Grenze bisheriger Materialien war, dass Form und Frequenz der umgewandelten elektrischen Signale für Neuronen schwer nutzbar waren
• Das Forschungsteam um Jacob Robinson von der Rice University entwickelte ein neues magnetoelektrisches Material, das genau dieses Problem adressiert
  • Laut der in Nature Materials veröffentlichten Studie kann das Material Neuronen aus der Ferne präzise stimulieren
  • In einem Mausmodell wurde es eingesetzt, um die Lücke in einem durchtrennten Ischiasnerv zu überbrücken
  • Es führt die magnetisch-elektrische Umwandlung 120-mal schneller durch als ähnliche Materialien

Ziel: weniger invasive Nervenstimulation als mit Implantaten

• Robinson geht davon aus, dass die Eigenschaften und die Leistung dieses Materials Therapien zur Nervenstimulation stark beeinflussen könnten
• Statt wie bisher Geräte zur Nervenstimulation zu implantieren, könnte es möglich werden, sehr kleine Materialmengen direkt an die gewünschte Stelle zu injizieren
• Joshua Chen ging von der Frage aus, ob sich mit einem Material, das im Körper nur in winzigen Mengen oder wie „Staub“ eingebracht wird, das Gehirn oder Nervensystem stimulieren lässt
• Magnetfelder dringen leicht in den Körper ein, und magnetoelektrische Materialien können sie in elektrische Felder umwandeln, die das Nervensystem zur Informationsübertragung nutzt

Materialstruktur und Funktionsweise

• Die Forschenden gingen von einem magnetoelektrischen Material aus, bei dem eine piezoelektrische Schicht aus lead zirconium titanate zwischen zwei magnetostriktiven Schichten aus Metglas liegt
• Metglas ist eine metallische Glaslegierung, die schnell magnetisiert und entmagnetisiert werden kann
• Wird ein Magnetfeld angelegt, schwingt das magnetostriktive Element und verändert seine Form; das piezoelektrische Material erzeugt aus dieser Verformung elektrische Energie
• Durch die Kombination beider Materialien lässt sich ein von außen angelegtes Magnetfeld in ein elektrisches Feld umwandeln

Nichtlineare Signale, auf die Neuronen reagieren können

• Bei bisherigen magnetoelektrischen Materialien ist die Beziehung zwischen elektrischem Feld und Magnetfeld linear
• Benötigt wurde jedoch eine nichtlineare Beziehung, die elektrische Signale erzeugt, auf die Neuronen tatsächlich reagieren können
• Dafür wurden auf den bestehenden magnetoelektrischen Film folgende Materialien aufgeschichtet
  • platinum
  • hafnium oxide
  • zinc oxide
• Eine Herausforderung war es, kompatible Fertigungsverfahren für die verschiedenen Materialien zu finden
• Robinson erklärte, dass viel Arbeit in die Herstellung dünner Schichten unter 200 nm floss, die die gewünschten besonderen Eigenschaften erzeugen
• Bhave sieht in diesem Verfahren die Möglichkeit, die Größe des gesamten Bauelements zu verringern und damit künftig eine injizierbare Form zu erreichen

Versuche an peripheren Nerven von Mäusen und Potenzial für Neuroprothesen

• In einem Proof-of-Concept stimulierte das Forschungsteam mit diesem Material die peripheren Nerven von Mäusen
• Dabei wurde gezeigt, dass sich die Funktion nach einer Nervendurchtrennung wiederherstellen lässt, was auf mögliche Anwendungen in der Neuroprothetik hindeutet
• Chen erklärte, dass dieses Metamaterial genutzt werden könnte, um die Lücke eines durchtrennten Nervs zu überbrücken und die hohe Geschwindigkeit elektrischer Signale wiederherzustellen
• Nach Ansicht des Teams hat dieses Framework zum Materialdesign zur Entwicklung neuer Metamaterialien geführt, die mehrere Probleme der Neurotechnologie adressieren können
• Derselbe Designansatz könnte auch auf andere Anwendungen in der Elektronik übertragen werden, etwa auf Sensorik und Speicher

Forschungsarbeit und Förderung

• Der Titel der Arbeit lautet „Self-rectifying magnetoelectric metamaterials for remote neural stimulation and motor function restoration“
• Veröffentlicht wurde sie in Nature Materials, die DOI lautet 10.1038/s41563-023-01680-4
• Autorinnen und Autoren der Studie sind Joshua Chen, Gauri Bhave, Fatima Alrashdan, Abdeali Dhuliyawalla, Katie Hogan, Antonios Mikos und Jacob Robinson
• Die Forschung wurde von der National Science Foundation und den National Institutes of Health unterstützt

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Kommentare auf Hacker News

• Aus der Perspektive von jemandem, der einen Patienten mit Rückenmarksverletzung kennt, wirkt es ziemlich grausam, dass sich Durchbrüche, die erst in 20 Jahren auf den Markt kommen, immer wieder wiederholen.

  • Es scheint, als konzentriere man sich zu sehr auf die cool wirkenden Aspekte und nicht ausreichend auf Lebensqualität und Ergebnisse der tatsächlich betroffenen Patienten.
    Ich weiß nicht, wie man das ändern kann, aber aus der Sicht von jemandem mit einer schwer behandelbaren Krankheit wirkt sich diese Praxis direkt negativ aufs Leben aus und macht große Angst. Trotzdem wird man auf HN oft heruntergevotet, angegriffen und als jemand abgetan, der Unsinn redet, wenn man so etwas anspricht, daher habe ich fast aufgegeben.
    Es tut mir leid, was dein Bekannter durchmacht.
  • Ich habe eine Rückenmarksverletzung, genauer gesagt eine inkomplette Rückenmarksverletzung, und die Tatsache, dass jeder Tag bis zu meinem Tod wie der gestrige sein wird, war psychisch eine große Belastung; zeitweise wollte ich dieses Ende sogar vorziehen.
    Ich hoffe, ihr alle passt gut auf euer Nervensystem auf.
  • Selbst wenn es erst in 20 Jahren möglich ist, ist das viel besser, als wenn es für immer unmöglich bliebe.
    Es gibt viele lebensverändernde Krankheiten mit noch deutlich düstereren Zukunftsaussichten, etwa solche, für die es kaum Forschungsgelder oder Aufmerksamkeit gibt.
    Trotzdem stimmt es, dass das lange Warten für die Menschen, die jetzt leiden, furchtbar ist.

• Ich komme nicht aus der Medizin: Kann jemand erklären, wie groß diese Sache genau ist?
  Ich frage mich, ob das auf dem Niveau einer Reparatur des Rückenmarks ist oder eher nur die Reparatur eines durchtrennten Nervs.

  • Noch zu früh, um das zu beurteilen.
    Es könnte weniger invasive Nervenstimulationstherapien ermöglichen, aber ob die Wirkung besser wird, weiß man nicht.
    Denn nicht alle Neuronen wachsen wieder nach oder kehren an die Stelle zurück, an der sie ursprünglich sein sollten.
  • Schon kleine Nervenschäden können ein Leben massiv verändern.
    Ein Freund, der Motorrad fuhr, prallte gegen ein Brückengeländer, dabei wurde ein Nerv in seiner rechten Schulter durchtrennt; er hat kein Gefühl im Arm und kann ihn nicht bewegen.
    Wenn man so etwas reparieren könnte, wäre das für die Betroffenen enorm.
  • Dem Artikel nach wirkt es eher wie eine Brücke, die die durchtrennte Stelle verbindet, als etwas, das dem Körper hilft, sich selbst zu heilen.
  • Neuropathie betrifft viele Menschen.
    Dazu gehören zum Beispiel auch Diabetespatienten, und diese Technologie könnte viele Leben verbessern.
  • Ich frage mich auch, wofür diese Technologie eingesetzt werden kann und wann sie realisierbar sein wird.

• Wenn ich das richtig verstehe, scheint das eine Nerv-zu-Digital-Umwandlung und eine Digital-zu-Nerv-Umwandlung zu ermöglichen.
  Das würde bedeuten, dass wir bald den Körper durch einen Roboterkörper ersetzen können.
  Die verbleibenden Probleme sind, das Gehirn in einem Tank am Leben zu halten und die Lebenserhaltungssysteme so klein zu machen, dass sie in den Körper passen.
  Man muss nur das Blut zirkulieren lassen, Kohlendioxid entfernen und Sauerstoff sowie Glukose zuführen; so schwer dürfte das vermutlich nicht sein, und vielleicht könnte man das Gehirn unbegrenzt am Leben halten.

  • „Bald können wir unseren Körper durch einen Roboterkörper ersetzen“ ist eine voreilige Schlussfolgerung.
  • Das ist ähnlich, als hätte man 1970 gesagt: „Es gibt Computer, die Schach spielen können, also können wir Menschen bald durch KI ersetzen.“
    Bevor man sagt „Wir können das Gehirn unbegrenzt am Leben halten“ oder „Das ist nicht besonders schwierig“, sollte man sich erst einmal ansehen, warum ein Drittel bis die Hälfte der über 85-Jährigen an Alzheimer, Parkinson oder Demenz leidet.
    Softwareentwickler neigen dazu, solche Probleme zu stark zu vereinfachen und zu optimistisch zu sehen, und der menschliche Körper ist deutlich komplexer, als solche Erklärungen nahelegen.
  • Der Erwartungsrahmen ist viel kleiner.
    Ich hoffe, dass es Menschen mit durchtrennten Nervenschäden hilft oder bessere Prothesen für Menschen ohne Gliedmaßen ermöglicht, mit Bewegung und taktilen Sensoren.
    Persönlich interessiere ich mich auch sehr für Verbesserungen der Mensch-Computer-Interaktion.
    Wenn möglich ohne Operation oder zumindest auf extrem wenig invasive und schnelle Weise.
  • Eine radikale Extrapolation wie „bald können wir unseren Körper durch einen Roboterkörper ersetzen“ ist schwer zu glauben.
    Umso mehr, wenn gefühlt jeden zweiten Tag auf HN und zu Hunderten auf Reddit Beiträge auftauchen, die angeblich sichere Heilungen für Krebs oder AIDS versprechen.
  • Auf Beiträge, die mit „Wenn ich das richtig verstehe“ beginnen, folgt meist Inhalt, der zeigt, dass der Autor es eben nicht richtig verstanden hat.

• Es kam mir immer widersprüchlich vor, dass man den menschlichen Körper für weniger als 1.500 Dollar mit 900 km/h in 25 Stunden auf die andere Seite der Erde bringen kann, aber selbst mit dem 1.000-fachen der Kosten und der 1.000-fachen Zeit die Distanz zwischen Gehirn und Fuß nicht überbrücken kann.

  • In einer Analogie, die Systemadministratoren vertraut sein dürfte: Stell dir vor, ein Bündel Ethernet- oder Glasfaserkabel zu einem Rechenzentrums-Rack wird durchtrennt.
    Jetzt muss man alles wieder so zusammenfügen, dass jeder Port wieder mit dem Port verbunden ist, mit dem er ursprünglich verbunden war.
    Außerdem sind diese Kabel mikroskopisch klein, extrem empfindlich, und wir wissen nicht einmal wirklich, wie man sie reparieren soll.
    Im Grunde hofft man darauf, dass sie an Ort und Stelle wieder nachwachsen.
  • Ist das seltsam?
    Mir erscheint es eher natürlich.
    Präzision war schon immer schwierig.
    Den meisten Menschen fällt es schwerer, einen Punkt von 1 mm Größe in 1 m Entfernung exakt zu treffen, als einen Ball 10 m weit zu schießen.
    Einen Sandhaufen 100 m weit zu transportieren ist leichter, als ein einzelnes Sandkorn exakt 1 cm zu bewegen, ohne die umliegenden Körner zu berühren.
  • Die beiden Aufgaben sind völlig verschieden, daher wirkt ein Vergleich anhand der Distanz sinnlos.
  • Wie ein Jet funktioniert, kann man mit genug Neugier bis zu jeder gewünschten Tiefe verstehen.
    Flugzeuge wurden von Menschen aus ersten Prinzipien heraus entworfen, und wir sind gut darin, unsere Erfindungen zu dokumentieren und ihre Prinzipien zu verstehen.
    Aber Dinge zu bauen, die mit biologischen Systemen gekoppelt werden, ist ein völlig anderes Problem.
    Es ist wie Reverse Engineering außerirdischer Technologie: Wir müssen etwas extrem Komplexes rückwärts verstehen, das unsere Zivilisation nicht entworfen hat.
    Es ist so komplex, dass es erst relativ seit Kurzem durch Fortschritte in anderen Bereichen Werkzeuge gibt, mit denen man überhaupt sinnvoll daran herumstochern kann.
  • Einzelne Wissenschaftsbereiche haben unterschiedliche historische Ausgangspunkte, und ihr Entwicklungstempo ist sehr ungleichmäßig.
    Wir wussten schon immer, zumindest seit dem alten Ägypten, mehr über Mathematik als über Physik, mehr über Physik als über Chemie und mehr über Chemie als über unseren Körper.
    Die verfügbaren Technologien spiegeln diesen Unterschied ebenfalls wider.

• Könnte es in naher Zukunft in der Science-Fiction möglich sein, mithilfe solcher Technik eine im Labor gezüchtete neue Wirbelsäule zu implantieren?

  • Ich stelle mir eine im Labor gezüchtete Wirbelsäule vor, in der Nervensignale mit Stromgeschwindigkeit unterwegs sind
  • Apropos Science-Fiction: Nachdem ich über Menschen gelesen habe, die nicht vorhandene Gliedmaßen oder Finger steuern, frage ich mich:
    „Ein Teil des Ziels von CTRL-Labs ist ziemlich bizarr, etwa Modelle darauf zu trainieren, zusätzliche Finger zu steuern“
    https://www.theverge.com/2018/6/6/17433516/ctrl-labs-brain-c...
    Könnten wir Nerven verstärken oder querverdrahten, um Dinge zu kontrollieren, die wir normalerweise nicht kontrollieren können?
    Was wäre zum Beispiel, wenn man nach Belieben Hormone ausschütten könnte, um Adrenalin freizusetzen oder sich zu beruhigen?
  • Ich glaube, die Wirbelsäule ist viel komplexer, als die meisten Menschen wissen
    Soweit ich gelesen habe, hat auch die Wirbelsäule grundlegende Reaktions- und Denkfähigkeiten, und sie könnte das übersteigen, was Menschen bauen können

• Für gelähmte Patientinnen und Patienten ist das eine große Hoffnung
  Ich hoffe nur, dass es nicht zu einer Technik wird, die so teuer ist, dass sie nur ein paar Millionäre nutzen können

• Veröffentlichungen, die Universitäten selbst herausgeben – etwa wenn rice.edu einen großen Durchbruch verkündet –, fühlen sich für mich inzwischen fast wie Clickbait an, weil die Anreize so verzerrt sind
  Forschende übertreiben ihre Ergebnisse für Papers und Fördergelder, und die Universität übertreibt diese Ergebnisse noch einmal, um Studierende und Investoren anzuziehen
  Ich frage mich, ob andere das ähnlich empfinden oder ob ich einfach zu zynisch geworden bin

  • Der Zynismus ist nachvollziehbar
    Wissenschaftsjournalismus ist schwierig und wenig dankbar
    Weniger zynisch betrachtet besteht die Hälfte der Arbeit von Forschenden darin, ihre Ergebnisse anderen Forschenden und der Öffentlichkeit zu vermitteln
    Mir sind etwas übertriebene, begeisterte Uni-Mitteilungen lieber, als dass empörungsgetriebene Nachrichten das Fernsehen und die Websites der „Mainstream-Nachrichten“ dominieren
    Seriöse Forschende können am Ende immer zu den tatsächlich peer-reviewten Materialien zurückkehren
    Im Artikel war auch ein Link, das Original ist hier: https://www.nature.com/articles/s41563-023-01680-4
    Das PDF ist hier: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.01.24.477527v2....
    Als jemand, der das Feld am Rande kennt und ein wenig über piezoelektrische und magnetostriktive Bauteile sowie Nervenstimulation und -aufzeichnung weiß: Ein magnetostriktives Material, das einen DC-Bias erzeugen kann, habe ich noch nicht gesehen
    Außerdem wirkt es neu, ein Bauteil für die Nervenstimulation in einem nicht-resonanten Modus zu betreiben
    Aus der 1.000-Fuß-Perspektive ist das ziemlich interessant, und ich halte diesen Artikel für eine wirksame Berichterstattung, deren Inhalt der Übertreibung durchaus gerecht wird
  • Angeblich lassen sich 30 % der Physik und Chemie nicht reproduzieren, und 70 % der weichen Wissenschaften nicht
    Vieles von dem, was wir über Soziologie zu wissen glauben, könnte falsch sein; und wenn ein großer Teil der Grundlage progressiven Denkens über Ethnie, Sex und Gender darauf beruht, wäre das ein großes Problem
    Zumindest scheint es sich nicht wesentlich von dieser Situation zu unterscheiden
  • Dieser Comic über den Nachrichtenzyklus kommt mir in den Sinn: https://phdcomics.com/comics/archive.php?comicid=1174

• Wann kommt wohl Neural Lace?

  • Wenn man bedenkt, wie schwierig es ist, zufällige Schäden an Gehirnzellen und Nerven tatsächlich zu reparieren, und wie weitreichend die Folgen solcher Schäden sind, überrascht es mich immer wieder, dass so viele Menschen etwas dort hineinstecken und beliebigen Code elektrische Reize ans Gehirn senden lassen wollen
    Ich verstehe, dass das Potenzial enorm und faszinierend ist, aber ich möchte nicht zu den Early Adopters eines solchen Produkts gehören