Ratbots

Katja Seefeldt 02.05.2002

Wissenschaftlern ist es gelungen, Ratten mit Elektroden im Hirn per Fernbedienung zu steuern
Tiere sind unter Umständen die besseren Roboter: In der aktuellen Ausgabe von [extern] Nature berichtet ein Wissenschaftlerteam des [extern] Department of Physiology and Pharmacology der [extern] State University of New York unter Leitung von Sanjiv Talwar, über die "virtuelle" Konditionierung von Versuchsratten, die sich anschließend wie Roboter fernsteuern ließen.

Je nachdem welche Seite des Gehirns angeregt wird, kann ein elektrischer Stimulus - ganz im Sinne behavioristischer Lerntheorien - entweder als Reiz oder als Belohnung fungieren. Dies belegen Erfahrungen aus der Erforschung der Funktionsmechanismen des Nervensystems. Die Versuchsgruppe von Sanjiv Talwar und seinem Team bestand aus fünf Ratten, denen Elektroden in verschiedene Bereiche des Gehirns implantiert wurden. Die einen ins mediale Großhirnbündel, den Bereich wo erwünschtes Verhalten belohnt wurde, die anderen in die Repräsentationsareale der linken und rechten Schnurrhaare im so genannten somatosensorischen Kortex. Dann erhielten die Tiere einen kleinen Rucksack aufgeschnürt, mit einem Microstimulator, der an eine Fernbedienung angeschlossen war. Damit konnten mittels eines Laptop kurze Stimuli an jede der angeschlossenen Gehirnregionen verabreicht werden - in eine Entfernung von bis zu 500 Meter.

Anschließend wurde den Ratten in einem Labyrinth antrainiert, auf die Reizung der Hirnareale in der gewünschten Weise zu reagieren. Nach zehn Sitzungen waren sie in der Lage, ihre Richtung nach rechts bzw. links ändern, wenn ihnen eine "virtuelle" Berührung der jeweiligen Schnurrhaare dies signalisierten. Sie behielten ihr Verhalten auch im offenen Gelände bei, in Sitzungen von bis zu einer Stunde.

Die Wissenschaftler konnten die Ratten durch eine Vielzahl komplexer und sich verändernder Terrains dirigieren. Die kleinen Nager wurden durch Röhren und Erhöhungen navigiert, sie kletterten und sprangen. Es gelang sogar, sie Schutthäufen systematisch durchkämmen zu lassen oder sie über hellerleuchtete Areale zu jagen, was sie normalerweise vermeiden würden. Dabei stellte sich heraus, dass die Stimulierung des medialen Vorderhirns die Nager nicht nur zum Vorwärtsgehen antrieb, sondern auch zum Bewältigen von Hindernissen.

Die Versuchsratten ließen sich vollständig aus der Entfernung dirigieren, ähnlich wie intelligente Roboter. Forscher Talwar betont, dass dabei die traditionellen Grenzen des Konditionierens überschritten wurden. Er und sein Team gehen davon aus, dass es über die Stimulierung anderer Gehirnregionen auch möglich wäre, eine Vielzahl weiterer, komplexerer Verhaltensreaktionen zu erzeugen.

Was experimentell bewiesen ist, soll jetzt auch praktische Anwendung finden: Virtuell steuerbare Tiere könnten sich bei der [extern] Rettung von Katastrophenopfern oder beim Aufspüren von Minen als nützlich erweisen. Dabei sind Ratten billiger als die bislang eingesetzten Hunde und außerdem kleiner und leichter. Sie könnten etwa auf einer Mine sitzen, ohne dass diese explodiert. Gegenüber Robotern haben sie den Vorteil, dass sie wendiger sind. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass sich die Gehirnaktivität der Tiere nicht nur manipulieren, sondern auch empfangen lässt. Die Ratten könnten also auch als biologische Sensoren dienen.

Artikel-URL: http://www.heise.de/tp/r4/artikel/12/12454/1.html

David Pescovitz

POSTED AT 2:14 PM November 4, 2009

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Mind control with sound and light

From a slew of new brainwave toys and bionic monkeys to advanced brain scans and wireless neuro-implants that will soon enable paralyzed people to remotely operate computers with their minds, the gap in the human-machine interface is closing. But while mind-reading gets all the glory, other researchers are developing new amazing non-drug methods to control the brain as well. We've posted many times about zapping regions of the brain with magnetic pulses, called transcranial magnetic stimulation, to treat depression, boost creativity, or even improve reaction time. And brain "pacemakers" are increasingly common treatments for epilepsy, Parkinson's, and even depression. What's next? Mind control through sound and light.

Brain Playground Day
Arizona State University researchers are using ultrasound pulses to stimulate activity deep inside the brain from the outside. The sound waves cause brain cells to spew certain chemical neurotransmitters, ultimately resulting in physical movements or other effects. The technique may also be used to lower the brain's metabolic rate after an injury to reduce secondary damage. "We're trying to develop the technology to the point where we can do away with the electrodes that are used in vagus nerve stimulation and deep brain stimulation," ASU professor William J. Tyler told IEEE Spectrum:

   The low frequencies used can travel some distance through the air. So could you be zapped with a mood-altering blast from across a room? Probably not, Tyler says. In theory, the ultrasound technique could work from up to about a meter away, he says. "The farthest we've tried so far has been roughly 50 millimeters."

Meanwhile, other researchers are exploring how light, rather than sound, can be used to reprogram the brain. The field is called optogenetics and lies at the intersection of optics and biotechnology, specifically genetic engineering. By introducing genes that encode for channels and enzymes that are light-sensitive, scientists can "probe" the brain with light to learn about neuronal function. A fiber optic cable is literally plugged into the skull to excite the appropriate brain bits, essentially introducing an on/off switch in the head. (See the image at top from Stanford University's Optogenetics Resource Center, led by optogenetics pioneer Karl Deisseroth.)

"We are inventing new tools for analyzing and engineering brain circuits," says Ed Boyden, director of MIT's Synthetic Neurobiology Group and a leader in the field. We are devising technologies for controlling specific neural circuit elements, to understand their causal contribution to normal and pathological neural computations."

In the new issue of Wired, Institute for the Future affiliate Michael Chorost, author of the fantastic book Rebuilt, visits with Deisseroth and Boyden, and explains how optogenetics was used to make mice with paralyzing Parkinson's walk again. Fortunately, it doesn't sound like folks undergoing optogenetic treatments in the future will have fiber optic cables snaking out of their skulls. From Wired:

   One of Deisseroth's colleagues designed a paddle about one-third the length of a popsicle stick. It has four LEDs: two blue ones to make neurons fire and two yellow ones to stop them. Attached to the paddle is a little box that provides power and instructions. The paddle is implanted on the surface of the brain, on top of the motor control area. The lights are bright enough to illuminate a fairly large volume of tissue, so the placement doesn't have to be exact. The light-sensitizing genes are injected into the affected tissue beforehand. It's a far easier surgery than deep brain electrical stimulation, and, if it works, a far more precise treatment. Researchers at Stanford are currently testing the device on primates. If all goes well, they will seek FDA approval for experiments in humans.