Der Weg zum Chip im Hirn

Der Biochemiker Peter Fromherz belauscht

Nervenzellen bei der Arbeit – und antwortet

Von Karl-Heinz Karisch

Wie sieht ein Auge? Die intakte Netzhaut eines Kaninchens liegt auf einem Computerchip, der die Nervenzellen bei ihrer Arbeit belauschen kann. Gebannt schauen die Wissenschaftler um Professor Peter Fromherz auf den Bildschirm, der die Signale aus der Retina überträgt. Ein einfaches Kreuz wird projiziert. Tausende Transistoren nehmen die Aktionspotenziale der Sehzellen auf. Doch das erhoffte Kreuz ist nicht auf dem Bildschirm zu sehen. Lediglich einzelne Punkte flammen auf.

Fromherz ahnt, warum bislang alle Versuche gescheitert sind, Blinden mit Netzhautimplantaten das Augenlicht zurückzugeben. Die Nerven können die übertragenen Bilder gar nicht entschlüsseln. „Da liegt noch viel Arbeit vor uns“, sagt er, „wir verstehen bislang die Signalverarbeitung in der Retina noch überhaupt nicht.“

Dabei ist der Direktor am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried bei München mit seinen Computerchips weiter in die „Wasserwelt“ des Gehirns eingedrungen als je ein Forscher vor ihm. An der Pinnwand in seinem Arbeitszimmer hängt noch die simple Zeichnung von 1985, die einen ganzen Forschungszweig begründet hat. Ein Strichmännchen sitzt vor dem Computer und tippt mit den Händen auf der Tastatur. Daneben eines, dessen Gehirn via Chip direkt mit dem Computer verbunden ist.

Es war eine kühne Vision. Erstmals sollten keine Elektroden verwendet werden, die die Nerven immer auch schädigen, sondern mit Hilfe von Siliziumchips wollte Fromherz die Nervenzellen sanft belauschen. Die Lust für den Wandel zwischen Biochemie und Physik war ihm gleichsam in die Wiege gelegt worden. Sein Vater Hans Fromherz gehörte in den 30er Jahren zu den weltweit führenden physikalischen Chemikern.

„In dem Aufsatz von 1985 stand schon alles drin, mitsamt den Kopplungsgleichungen zwischen den Transistoren im Chip und den Nervenzellen“, berichtet der Forscher. Die Berechnungen hatten nur einen winzigen, aber dafür umso dramatischeren Schönheitsfehler.

Fromherz ging damals davon aus, dass der Abstand zwischen Chip und Nervenzelle nur einen Nanometer beträgt. Tatsächlich aber betrug der Abstand zunächst 100 Nanometer, später konnten die Wissenschaftler in Martinsried das auf die Hälfte senken, also 50 Millionstel Millimeter. Das aber ist eine gewaltige Distanz in der Nanowelt der Nervenzellen.

Denn Chip und Zellen sprechen zwei unterschiedliche „Sprachen“. Während der Chip mit Elektronen arbeitet, funktionieren Nervenzellen mit elektrisch geladenen Atomen, den Ionen. Diese Sprachbarriere überwand Fromherz mit einem Trick. Statt mit elektrischen Ladungen lässt er Chip und Nerven über elektrische Felder kommunizieren. Und an die müssen die Forscher möglichst nahe herankommen, um sie zu messen. Im Gegensatz etwa zu Elektroden, die in die Zelle gestochen werden und sie verletzen, ist das Fromherz-Verfahren sehr viel eleganter und schonender.

Doch so verlockend die Idee auch war, das Gehirn direkt mit einem Computer zu verbinden, sie umzusetzen erwies sich zunächst als unmöglich. „Wenn ich das damals schon gewusst hätte, dann hätte ich wahrscheinlich gar nicht erst angefangen“, räumt Fromherz heute offen ein. Denn es dauerte fünf steinige Jahre, bis tatsächlich die erste Messung gelang.

Möglich wurde sie durch die ungewöhnlich großen Nervenzellen von Blutegeln. „Wir haben wochenlang im Kabuff gesessen“, sagt Fromherz. Plötzlich seien die ersten Messreihen über den Oszillographen geflackert. Die mussten damals noch mühsam abfotografiert werden. „Das war völlig irre und dann ist auch noch der alte Computer abgestürzt“, erinnert sich der Wissenschaftler an jene Minuten, als sich Chip und Nervenzelle zum ersten Mal näher kamen.

Den Erfolg vermeldete Anfang 1991 das Magazin Science. Der Bericht katapultierte die Forscher um Fromherz in die internationale Presse. Seine Chips konnten erstmals die Veränderung des elektrischen Feldes messen, das durch die Erregung einer Nervenzelle ausgelöst wurde. Und als 1995 auch noch die Signalübertragung vom Chip in die Nervenzelle hinein gelang, da titelte sogar die New York Times „Neuron talks to chip, and chip to nerve cell“.

„Das war damals noch möglich, ein Projekt fünf Jahre lang ohne Publikation zu verfolgen“, freut sich der zurückhaltende Wissenschaftler. In den USA oder an den Universitäten sei so etwas heute kaum noch denkbar. Wehren musste er sich immer wieder gegen Versuche, die seine Forschung mit Science-Fiction-Filmen wie Matrix in Verbindung brachten. Eine Fremdsteuerung des menschlichen Gehirns durch einen eingepflanzten Computerchip sei technisch auch in Zukunft kaum zu realisieren, meint Fromherz.

In seinem Labor ging es nun Schritt um Schritt vorwärts. Ein Doktorand entwickelte einen Transistor, der 100 Mal empfindlicher war als die zuerst benutzten. Ein anderer baute Kondensatoren, die eine höhere Kapazität zum Reizen der Zellen erreichten. Statt mit Silizium wurden die Chips mit Titandioxid und Hafniumdioxid beschichtet, was die Kopplung zwischen Chip und Nervenzellen weiter verbesserte. Inzwischen benötigt Fromherz weder besonders große Blutegel-Nervenzellen noch gentechnische Tricks, um die Nervenzellen mit größeren Ionenkanälen zu versehen – sie verstärken das elektrische Feld. Die Chips können heute mit winzigen Rattenzellen kommunizieren, die von der Größe her menschlichen Nervenzellen entsprechen.

Einen großen Schritt vorwärts ging es dann bei einem gemeinsamen Projekt mit der Firma Infineon. Die professionellen Chip-Bauer lieferten vor vier Jahren einen maßgeschneiderten Chip mit 16 000 Transistoren und 400 Kondensatoren aus. Vor wenigen Tagen ist die jüngste – und möglicherweise letzte – Generation Chips im Fromherz-Labor eingetroffen. „Da sind bereits 32 000 Transistoren drauf, aber gleichzeitig kann jeder Transistor zum Kondensator umgeschaltet werden und die Nervenzelle stimulieren“, erläutert Fromherz. Dieser neue Super-Chip spiele schon in einer ganz anderen Liga.

Mit beiden Chips können die Aktivitäten großer Netzwerke von Nervenzellen gemessen und abgebildet werden. Dazu werden etwa Nervenzellen der Schlammschnecke Lymnaea stagnalis verwendet, die in Kultur sehr leicht elektrische Synapsen ausbilden und sich zu kleinen Netzwerken zusammenfinden. Mit den neuen Chips kann auch die Aktivität von gewachsenen Rattenhirnen abgebildet werden.

Eigentlich hätte der Wissenschaftler bereits im vergangenen Jahr in den Ruhestand gehen können. Aber die Max-Planck-Gesellschaft hat seinen Vertrag noch einmal um zwei Jahre verlängert, damit er den neuen Chip zum Laufen bringt. Danach muss Fromherz fürchten, dass sein Erbe in Kisten verpackt und eingemottet wird. Denn auch Infineon hat sich zurückgezogen. Mehr als den neuen Super-Chip wird die Firma nicht mehr liefern, sie hat alle Zukunftsprojekte gestoppt.

„Der Weg ist offen, ohne Elektroden direkt mit Gehirnzellen zu kommunizieren“, beschreibt Fromherz die Zukunftsfähigkeit seiner wissenschaftlichen Erkenntnisse. Bereits heute könne mit Tausenden Nervenzellen gleichzeitig kommuniziert werden. „Das ist die Grundlage für die Neuroprothetik, also die Steuerung von Gliedmaßen direkt über einen Chip im Gehirn“, erläutert Fromherz. Langfristig könne man mit den Chips viele grundlegende Details der Gehirnfunktionen klären. Ein typisches ungelöstes Rätsel seien die Nervenzellen in der Retina des Auges, deren Signalverarbeitung nicht bekannt sei.

Doch sogar mit Nervenzellen arbeitende Computer sind für Fromherz vorstellbar. In seinen Augen funkelt plötzlich doch ein wenig Science-Fiction: „In hundert Jahren werden die Leute über elektronische Computer lachen.“


© Copyright Frankfurter Rundschau
Ausgabe: Stadtausgabe (Nr. 30)
Datum: Dienstag, den 05. Februar 2008