Mit Hilfe eines Algorithmus sind Wissenschaftler in Lausanne in der Lage, die Gehirnaktivitäten von Mäusen zu visualisieren. Letztlich könnten die Erkenntnisse eines Tages dazu beitragen, etwa die Sehkraft von Menschen wiederherzustellen.
Neurowissenschaften Forscher entschlüsseln Gedanken von Mäusen – warum das große Hoffnungen in der Medizin weckt
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Wie können von einem Gehirn verarbeitete Daten erfasst und wiedergegeben werden? Dieser Frage sind Wissenschaftler der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne, kurz EPFL, nachgegangen. Und das mit Erfolg. Doch was haben Mäuse damit zu tun? Der Reihe nach. Ein neues Programm, ein Algorithmus namens CEBRA, ist in der Lage, die Gehirnsignale – in diesem Fall einer Maus – zu entschlüsseln und so abzubilden, was das Tier gerade optisch wahrnimmt. Dazu erstellt es künstliche neuronale Netzmodelle, die die Dynamik des Gehirns mit hoher Genauigkeit erfassen, wie es in einer Studie heißt, die kürzlich in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde. Mackenzie Mathis, Neurowissenschaftlerin und Assistenzprofessorin an der EPFL "Als Neurowissenschaftlerin bin ich sehr daran interessiert, komplexe Strukturen, wie das Gehirn, zu verstehen. Deshalb wollen wir die Ursachen für Verhalten entschlüsseln und verstehen, wie sie zustande kommen. Das ist es, was unser Algorithmus tut." Die Forscher zeigten einer Maus einen Schwarz-Weiß-Film – und waren in der Lage, das Gesehene zu rekonstruieren. Der Algorithmus "lernt" die versteckten Strukturen im neuronalen Netz und trifft davon ausgehend seine Vorhersage. Anhand der Daten von weniger als einem Prozent der Neuronen kann CEBRA zeigen, was die Maus sieht. "Wir haben Daten genommen, die von den Gehirnen von Mäusen am Allen Institute in Seattle, Washington, aufgenommen wurden. Man hat den Mäusen einen klassischen Film gezeigt, in dem eine Person einen Gang hinunterläuft, um zu einem Auto zu gelangen. Die Maus schaut einfach passiv zu, so wie Sie oder ich in einem Kino sitzen würden." Die Hirnsignale wurden entweder direkt durch Messung der Hirnaktivität über Elektrodensonden, die in den visuellen Kortexbereich des Mäusegehirns eingeführt wurden, oder mit Hilfe optischer Sonden gewonnen, bei denen gentechnisch veränderte Mäuse verwendet wurden, die so manipuliert wurden, dass aktivierte Neuronen grün leuchten. "Die Erstellung der Filme hatte eine Genauigkeit von über 95 %. Wir denken also, dass dies eine Art erste Demonstration der Dekodierung im Stil einer Gehirn-Maschine-Schnittstelle sein könnte." Obwohl es noch nicht möglich ist, das, was ein Mensch sieht, allein anhand von Gehirnsignalen vollständig zu rekonstruieren, ist CEBRA ein Schritt in genau diese Richtung. "Wenn wir diese leistungsfähigeren Werkzeuge in der Klinik einsetzen können, etwa in der visuellen Neuroprothetik, könnte es möglich sein, die Sehkraft wiederherzustellen." So könnten eines Tages womöglich gelähmte Patienten einen Teil ihrer verlorenen Fähigkeiten zurückerlangen.
Wie können von einem Gehirn verarbeitete Daten erfasst und wiedergegeben werden? Dieser Frage sind Wissenschaftler der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne, kurz EPFL, nachgegangen. Und das mit Erfolg. Doch was haben Mäuse damit zu tun? Der Reihe nach. Ein neues Programm, ein Algorithmus namens CEBRA, ist in der Lage, die Gehirnsignale – in diesem Fall einer Maus – zu entschlüsseln und so abzubilden, was das Tier gerade optisch wahrnimmt. Dazu erstellt es künstliche neuronale Netzmodelle, die die Dynamik des Gehirns mit hoher Genauigkeit erfassen, wie es in einer Studie heißt, die kürzlich in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde. Mackenzie Mathis, Neurowissenschaftlerin und Assistenzprofessorin an der EPFL "Als Neurowissenschaftlerin bin ich sehr daran interessiert, komplexe Strukturen, wie das Gehirn, zu verstehen. Deshalb wollen wir die Ursachen für Verhalten entschlüsseln und verstehen, wie sie zustande kommen. Das ist es, was unser Algorithmus tut." Die Forscher zeigten einer Maus einen Schwarz-Weiß-Film – und waren in der Lage, das Gesehene zu rekonstruieren. Der Algorithmus "lernt" die versteckten Strukturen im neuronalen Netz und trifft davon ausgehend seine Vorhersage. Anhand der Daten von weniger als einem Prozent der Neuronen kann CEBRA zeigen, was die Maus sieht. "Wir haben Daten genommen, die von den Gehirnen von Mäusen am Allen Institute in Seattle, Washington, aufgenommen wurden. Man hat den Mäusen einen klassischen Film gezeigt, in dem eine Person einen Gang hinunterläuft, um zu einem Auto zu gelangen. Die Maus schaut einfach passiv zu, so wie Sie oder ich in einem Kino sitzen würden." Die Hirnsignale wurden entweder direkt durch Messung der Hirnaktivität über Elektrodensonden, die in den visuellen Kortexbereich des Mäusegehirns eingeführt wurden, oder mit Hilfe optischer Sonden gewonnen, bei denen gentechnisch veränderte Mäuse verwendet wurden, die so manipuliert wurden, dass aktivierte Neuronen grün leuchten. "Die Erstellung der Filme hatte eine Genauigkeit von über 95 %. Wir denken also, dass dies eine Art erste Demonstration der Dekodierung im Stil einer Gehirn-Maschine-Schnittstelle sein könnte." Obwohl es noch nicht möglich ist, das, was ein Mensch sieht, allein anhand von Gehirnsignalen vollständig zu rekonstruieren, ist CEBRA ein Schritt in genau diese Richtung. "Wenn wir diese leistungsfähigeren Werkzeuge in der Klinik einsetzen können, etwa in der visuellen Neuroprothetik, könnte es möglich sein, die Sehkraft wiederherzustellen." So könnten eines Tages womöglich gelähmte Patienten einen Teil ihrer verlorenen Fähigkeiten zurückerlangen.
