Synapsen‑Mapping für maßgeschneiderte Medikamentenbehandlungen erzielt Durchbruch

Im menschlichen Gehirn gibt es bis zu 86 Milliarden Neuronen. Sie bilden Billionen von synaptischen Verbindungen, wobei jedes Neuron mit anderen Neuronen verbunden ist, um ein komplexes Netzwerk zu schaffen. 

Durch synaptische Signale kommunizieren Neuronen miteinander an Synapsen, den Verbindungsstellen, an denen Neuronen andere Neuronen erregen oder hemmen können. 

Eine synaptische Verbindung ist hingegen die Verbindungsstelle zwischen Neuronen, an der sie über elektrische und chemische Signale miteinander kommunizieren. Das Mapping synaptischer Verbindungen ist ein Prozess, der ermittelt, wie Neuronen verbunden sind miteinander und wie stark diese Verbindungen sind. Die Struktur dieser Verbindungen gilt als um die Gehirnfunktion zu bestimmen, was diesen Prozess äußerst wichtig macht. 

Allerdings ist das Mapping und die Charakterisierung synaptischer Verbindungen eine offene Herausforderung. Derzeit sind wir auf das Mapping von nur wenigen hundert synaptischen Verbindungen beschränkt. Die neueste Studie von Harvard‑Forschern hat dies jedoch auf über 70.000 Verbindungen mit hoher Genauigkeit ausgeweitet, was einen bedeutenden Durchbruch im Bereich der Neurowissenschaften, insbesondere der neuronalen Aufzeichnung, darstellt.

Das Mapping und die Katalogisierung in diesem Ausmaß wurden aus etwa 2.000 Rattenneuronen mithilfe eines Siliziumchips mit Mikroloch‑Elektroden erreicht, die gleichzeitig kleine, aber bemerkenswerte synaptische Signale erfassen können.

Ein solcher Fortschritt kann uns helfen, eine detaillierte Karte synaptischer Verbindungen zu erstellen und uns ein besseres Verständnis zu ermöglichen, wie Neuronen sich verbinden und kommunizieren.

Die Studie mit dem Titel “Synaptic connectivity mapping among thousands of neurons via parallelized intracellular recording with a microhole electrode array” wurde veröffentlicht¹ in Nature Biomedical Engineering diesen Monat.

Die Parallelisierung der neuronalen intrazellulären Aufzeichnung in großem Maßstab ist laut der Studie eine große Herausforderung, die überwunden werden muss, da sie die Messung synaptischer Signale über ein neuronales Netzwerk ermöglicht, was wiederum das Mapping sowie die Charakterisierung synaptischer Verbindungen erlaubt.

Skalierung der neuronalen Aufzeichnung durch fortschrittliche Chip‑Innovation

Zur Visualisierung synaptischer Strukturen hat sich die Elektronenmikroskopie (EM) als äußerst effektiv erwiesen, jedoch kann sie die Stärke von Neuronenverbindungen nicht messen. Dies schränkt die Fähigkeit der Methode ein, die Funktionsweise neuronaler Netzwerke zu erklären.

Hier kommt die Patch‑Clamp‑Aufzeichnung ins Spiel, die eine präzisere Methode zur Untersuchung synaptischer Aktivität bietet, da sie einzelne Neuronen durchdringen und selbst schwache Signale mit hoher Empfindlichkeit erfassen kann.

Die Wissenschaftler Erwin Neher und Bert Sakmann erhielten 1991 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für die Patch‑Clamp‑Technik. Das experimentelle Messgerät bewies die Existenz und Funktion von Ionenkanälen, die wichtige Vorgänge in lebenden Zellen wie Muskelkontraktion und Nervenimpulsübertragung steuern. Die Technik ermöglichte es zudem, zentrale Merkmale der Kanäle präzise zu definieren mit hoher Genauigkeit. 

Obwohl diese Methode Forschern helfen kann, die Verbindungsstärke zu identifizieren und zu messen, hatten Wissenschaftler bisher Schwierigkeiten, intrazelluläre Signale von mehr als wenigen Neuronen gleichzeitig aufzuzeichnen.

Unter der Leitung des Co‑Senior‑Autors Donhee Ham, Professor für Ingenieurwesen und Angewandte Wissenschaften an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), entwickelten die Forscher dieser Abteilung sowie des Fachbereichs Chemie und Chemische Biologie der Harvard University einen fortschrittlichen Chip.

Genauer gesagt hat das Team ein Array von 4.096 Mikroloch‑Elektroden auf einem Chip gebaut. Dieses Gerät ermöglichte die massiv parallele intrazelluläre Aufzeichnung von etwa 2.000 Rattenneuronen. 

Dies lieferte den Forschern umfangreiche Daten zu synaptischen Signalen, aus denen sie mehr als 70.000 synaptische Verbindungen extrahierten.

Die Arbeit baut tatsächlich auf dem Durchbruch‑Gerät auf, das das Team vor einigen Jahren entwickelt hatte. Damals ragte ein Array von 4.096 vertikalen Nanonadel‑Elektroden aus einem Siliziumchip desselben integrierten Schaltkreisdesigns heraus. 

Der elektronische Chip wies ein dichtes Array vertikal stehender, mit Platinpulver beschichteter (zur Verbesserung der Signalübertragung) nanometerskaler Elektroden auf seiner Oberfläche auf.

Auf diesem Gerät konnte ein Neuron um eine Nadel wickeln, um intrazelluläre Aufzeichnungen zu ermöglichen, parallelisiert über eine große Anzahl von Elektroden. Damals konnte das Team mehr als 1.700 Rattenneuronen aufzeichnen und über 300 synaptische Verbindungen kartieren.

Die erreichten Zahlen waren rekordverdächtig, doch das Team war der Ansicht, dass sie noch weiter verbessert werden könnten, weshalb die neueste Studie entstand.

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Revolutionierung der intrazellulären Aufzeichnung für das Mapping von Konnektivität

Unterstützt vom Samsung Advanced Institute of Technology der Samsung Electronics entwickelte und fertigte das Team das Platin/Platin‑Black‑Mikroloch‑Elektroden‑Array auf dem Complementary Metal‑Oxide Semiconductor (CMOS) Chip.

Das Array wurde betrieben, um Zellen sanft zu öffnen, indem kleine Ströme durch die Elektroden injiziert wurden, um deren intrazelluläre Aufzeichnung zu parallelisieren.

Die integrierte Elektronik im Siliziumchip spielt laut Mitautor der Studie und ehemaligem Postdoc‑Forscher Woo‑Bin Jung, der derzeit an der Pohang University of Science and Technology in Südkorea tätig ist, „eine ebenso wichtige Rolle wie die Mikroloch‑Elektrode, indem sie sanfte Ströme auf raffinierte Weise bereitstellt, um intrazellulären Zugang zu erhalten, und gleichzeitig die intrazellulären Signale aufzeichnet.“

Das hier verwendete Mikroloch‑Design ist hingegen dem Patch‑Clamp‑Elektroden ähnlich. Diese Mikroloch‑Elektroden haben zwei Hauptvorteile:

1. Sie sind viel einfacher herzustellen
2. Sie koppeln besser an das Innere von Neuronen als die zuvor vom Team verwendeten vertikalen Nanonadel‑Elektroden

“Diese Zugänglichkeit ist ein weiteres wichtiges Merkmal unserer Arbeit.”

– Jun Wang, Postdoktorand und Mitautor 

Mit diesem neuen Design konnte das Team großartige Ergebnisse erzielen. Im Durchschnitt wurden 90 % der Mikroloch‑Elektroden (über 3.600 von 4.096) intrazellulär integriert, was dem Team ermöglichte, 70.000 plausible synaptische Verbindungen daraus zu extrahieren, deutlich mehr als die 300 mit dem Nanonadel‑Elektroden‑Array.

Das Team erzielte nicht nur quantitative Ergebnisse, sondern auch eine hohe Qualität ihrer Aufzeichnungsdaten, was ihnen ermöglichte, synaptische Verbindungen nach ihrer Stärke und ihren Merkmalen zu klassifizieren.

Synaptische Verbindungen wurden katalogisiert in elektrische synaptische Verbindungen sowie starke/ereignisreiche erregende, schwache/ereignisarme erregende und hemmende chemische synaptische Verbindungen, mit einer geschätzten Gesamtfehlerquote von 5 %.

Laut der Studie ist das Mapping der synaptischen Konnektivität in einem solch umfangreichen Ausmaß sowie die Fähigkeit, synaptische Verbindungen zu identifizieren, ein großer Schritt in Richtung des funktionalen Konnektivitäts‑Mappings großskaliger neuronaler Netzwerke.

In ihrer vorherigen Version nutzten die Forscher den Hochleistungschip, um die Auswirkungen von Medikamenten auf synaptische Verbindungen zu berechnen. Damals erklärte das Team, dass sie ein Wafer‑Scale‑System für die Medikamentenprüfung bei neurologischen Erkrankungen wie Sucht, Autismus, Alzheimer, Parkinson und Schizophrenie entwickeln.

Das Mapping biologischer synaptischer Netzwerke kann zudem eine neue Strategie für maschinelle Intelligenz bieten, um nächste‑Generation‑künstliche neuronale Netze und neuromorphe Prozessoren zu entwickeln.

Jetzt, da das Team Erkenntnisse über synaptische Verbindungen aus der riesigen Datenmenge, die sie durch parallele intrazelluläre Aufzeichnung erhalten haben, gewonnen hat, arbeitet es an einem „neuen Design, das in einem lebenden Gehirn eingesetzt werden kann.“

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Fortschritte im Brain‑Mapping & Neurotechnik

Solche Studien sind entscheidend, um unser Verständnis der komplexen synaptischen Verbindungen des Gehirns zu vertiefen, indem sie nicht nur die Komplexität neuronaler Interaktionen aufzeigen, sondern auch eine Grundlage für fortgeschrittene Forschung im Brain‑Mapping bieten, eine von vielen spannenden Entwicklungen, die die Zukunft der Hirnforschung prägen.

Das Gehirn ist schließlich eine interessante, aber komplexe Struktur, was es zu einem zunehmend interessanten Forschungsfeld für Wissenschaftler und Institutionen macht. Interessanterweise wird das Gehirn umso komplexer, je mehr wir es studieren und kennenlernen. Wie Jeff Lichtman, Professor für Molekulare und Zelluläre Biologie an der Harvard University, bemerkte, hat die bloße Beschreibung der Natur Folgendes offenbart:

“[Dass das Gehirn] komplizierter ist, als wir dachten.”

Seit über einem Jahrzehnt greift Lichtman auf einen spezifischen (ein Kubikmillimeter) Bereich des Kortex zu, um eine detaillierte Karte der Verbindungen im menschlichen Gehirn zu erstellen. Ende letzten Jahres berichtete das Harvard Magazine, dass ihre Analyse ergab, dass Gliazellen, die Neuronen unterstützen und schützen, im Verhältnis 2 zu 1 dominieren. Eine Erklärung dafür wurde jedoch noch nicht gefunden. 

Er und seine Kollegen beobachteten zudem einige sehr starke Verbindungen mit vielen Synapsen pro Zelle, die es ermöglichen, dass Informationen sehr schnell durch das Gehirn fließen, was ihrer Ansicht nach „vielleicht… was Erinnerungen sind“.

Dafür nutzten sie Gewebe aus dem Temporallappen einer Frau und schnitten es in über 5.000 Abschnitte, von denen jeder mit einem eigens entwickelten Multibeam‑Elektronenmikroskop mit sehr hoher Auflösung gescannt wurde. 

Google‑Forscher entwickelten anschließend neue neuronale Netzwerkmethoden, um Objekte in jedem dieser Schnitte zu identifizieren und kombinierten sie zu einem 3‑D‑Raum. Das im Bild erfasste Probevolumen enthielt 57.000 Zellen, 230 mm Blutgefäße und 150 Millionen Synapsen.

Lichtman plant als Nächstes, das gesamte Gehirn einer Maus zu kartieren, da dies beim menschlichen Gehirn noch nicht möglich ist. In der Zwischenzeit kartierte ein Team von Wissenschaftlern der Princeton kartierte das Gehirn einer erwachsenen Fruchtfliege. 

Zuvor haben Forscher das Gehirn einer Larvenfruchtfliege mit 3.000 Neuronen kartiert, aber die erwachsene Fruchtfliege besitzt fast 140.000 Neuronen und zig Millionen von Synapsen, die sie verbinden. Die Karte wurde erstellt mithilfe von 21 Millionen Bildern des Fruchtfliegengehirns und einem KI‑Modell. Mit Hilfe dieses Bauplans wollen die Forscher Antworten darauf finden, welche Neuronen für welche Verhaltensweisen verantwortlich sind.

Das menschliche Gehirn, wie John Ngai, Direktor der BRAIN Initiative des US National Institutes of Health, feststellte, „ist in vielerlei Hinsicht leistungsfähiger als jeder von Menschen gemachte Computer“, „doch größtenteils verstehen wir seine zugrunde liegende Logik immer noch nicht.“ 

Und wenn wir kein „detailliertes Verständnis davon haben, wie Neuronen miteinander verbunden sind“, werden wir kein grundlegendes Verständnis davon haben, was in einem gesunden Gehirn richtig funktioniert oder was bei Krankheiten schief läuft.

Dies ist der Grund, warum zunehmend versucht wird, unser Gehirn zu kartieren. Wissenschaftler des Research Institute des McGill University Health Centre haben tatsächlich im vergangenen Monat eine Methode namens „Optomapping“ implementiert eingeführt, um die Untersuchung von Neuronen dramatisch zu beschleunigen.

 Das Team hat bereits mehr als 30.000 potenzielle Verbindungen getestet und etwa 1.800 Synapsen im visuellen Kortex des Mausgehirns charakterisiert. 

Wichtige Entdeckungen, die mit Optomapping gemacht wurden, umfassen einzigartige Verbindungsmuster zu verschiedenen Typen inhibitorischer Neuronen, die das bisherige Verständnis des Informationsflusses in den kortikalen Schichten des Gehirns in Frage stellen. Sie zeigten zudem das sorgfältige Gleichgewicht der Kommunikationsmuster des Gehirns, wobei einige Verbindungen Signale verstärken und andere dämpfen. 

Zudem beobachteten sie ein Ungleichgewicht in der Aktivierung verschiedener Neuronentypen, was bei Erkrankungen wie Autismus und Epilepsie helfen kann. Durch das Aufspüren von Veränderungen könnte Optomapping zu gezielteren und effektiveren Therapien führen.

Interessanterweise hat der Technologieriese Meta Platforms (META ) angekündigt, dass er ein Gerät entwickelt hat, das Menschen ermöglicht, Text allein durch Gedanken zu erzeugen. Dafür wurden ein Gehirnscanner und ein KI‑Modell namens Brain2Qwerty verwendet, um Sprache aus dem Gehirn ohne Operation zu dekodieren.

Allerdings sind die Chancen, dass das Produkt kommerziell wird, aufgrund mehrerer Einschränkungen sehr gering. Zum Beispiel ist der für die Detektion magnetischer Signale verwendete Magnetenzephalographie‑Scanner extrem groß, wiegt etwa eine halbe Tonne und kostet 2 Millionen US‑Dollar. Er funktioniert zudem nur in einem abgeschirmten Raum, um das Erdmagnetfeld zu dämpfen. 

Aber das kann sicherlich dazu beitragen, unser Verständnis des menschlichen Gehirns und der Kommunikation voranzubringen.

“Der Versuch, die präzise Architektur oder die Prinzipien des menschlichen Gehirns zu verstehen, könnte ein Weg sein, die Entwicklung maschineller Intelligenz zu informieren. Das ist der Weg.”

– Jean‑Rémi King, Leiter des Brain & AI‑Teams von Meta, sagte gegenüber Tech Review. 

Die Ergebnisse zeigen, dass das System mit einer Genauigkeit von bis zu 80 % erkennen kann, welche Tasten ein „geübter“ Schreiber tippen würde. Obwohl nicht fehlerfrei, sagten die Forscher, sei es genau genug, um vollständige Sätze aus Gehirnsignalen zu konstruieren.

Diese Entwicklungen, die von einem Unternehmen mit einer Marktkapitalisierung von 1,76 Billionen US‑Dollar stammen, das hauptsächlich im Bereich Social Media und KI tätig ist, mögen für manche überraschend sein, aber Meta ist seit vielen Jahren in der Neurotechnologie‑Forschung aktiv.

Außerdem ist Meta, im Gegensatz zu Unternehmen, die ausschließlich im Neurotechnologiebereich tätig sind, profitabel, was bedeutet, dass es in verwandte Forschung investieren kann, ohne sich um Ressourcen Sorgen zu machen.

Zur Einordnung: Das Unternehmen berichtete kürzlich seine Q4‑Ergebnisse, die einen Jahreszuwachs von 21 % beim Umsatz auf 48,39 Milliarden US‑Dollar zeigten. Schließlich nutzten im Durchschnitt 3,35 Milliarden täglich aktive Nutzer (DAP) seine Produkte. In diesem Zeitraum verzeichnete Meta Kosten und Aufwendungen in Höhe von 25,02 Milliarden US‑Dollar sowie Investitionsausgaben von 14,84 Milliarden US‑Dollar, während der freie Cashflow 13,15 Milliarden US‑Dollar betrug und die liquiden Mittel, liquide Mitteläquivalente und handelbaren Wertpapiere 77,81 Milliarden US‑Dollar ausmachten. Außerdem hat das Unternehmen in diesem Jahr eine Investition von etwa 60‑65 Milliarden US‑Dollar in KI angekündigt.

Unternehmen, die diesen Bereich vorantreiben

Werfen wir nun einen Blick auf namhafte börsennotierte Unternehmen, die bedeutende Fortschritte in diesem Bereich erzielen.

1. Neuronetics, Inc. (STIM )

Dieses Medizintechnikunternehmen entwickelt Produkte für Patienten, die an neuropsychiatrischen Störungen leiden. Sein NeuroStar Advanced Therapy System ist eine nicht‑invasive Behandlung, die transkranielle Magnetstimulation (TMS) nutzt, um Bereiche im Gehirn zu stimulieren, die mit der Stimmung in Zusammenhang stehen. Es wird eingesetzt zur Behandlung erwachsener Patienten mit einer major depressiven Störung (MDD). 

Mit einer Marktkapitalisierung von 267 Millionen US‑Dollar notieren die STIM‑Aktien zum Zeitpunkt dieses Schreibens bei 4,80 US‑Dollar, ein Anstieg von satten 198,14 % im Jahresverlauf. Das EPS (TTM) beträgt -1,22 und das KGV (TTM) -3,94.

Für das dritte Quartal 2024 meldete Neuronetics einen Umsatz von 18,5 Millionen US‑Dollar, einen Nettoverlust von 13,3 Millionen US‑Dollar und einen Rückgang der Liquidität auf 20,9 Millionen US‑Dollar von 59,7 Millionen US‑Dollar zum Jahresende 2023. In diesem Zeitraum lieferte das Unternehmen 48 NeuroStar‑Systeme in den USA aus, und der Umsatz erreichte 4,1 Millionen US‑Dollar, während die Anzahl der Behandlungssitzungen um 2 % wuchs.

Neuronetics hat außerdem Greenbrook TMS übernommen, von dem erwartet wird, dass es den Weg zur Rentabilität beschleunigen wird, so CEO Keith J. Sullivan.

Laut vorläufigen Q4‑Ergebnissen wird der Umsatz von Neuronetics für das vierte Quartal auf 22,1 Millionen US‑Dollar geschätzt und für das gesamte Jahr 2024 auf 74,5 Millionen US‑Dollar. Das Unternehmen hat jedoch angekündigt bessere Erwartungen für dieses Jahr bekannt gegeben, mit einem Gesamtumsatz zwischen 145 Millionen US‑Dollar und 155 Millionen US‑Dollar sowie positivem Cashflow im dritten Quartal. 

#2. NeuroOne Medical Technologies Corporation (NMTC )  

Dieses Medizintechnikunternehmen entwickelt minimalinvasive Lösungen für die Gehirnstimulation, EEG‑Aufzeichnung und Ablationslösungen für Patienten mit neurologischen Störungen wie Epilepsie, Dystonie, Tremor, Parkinson und chronischen Schmerzen.

Zu seinen Produkten gehört die Evo‑Kortikalelektrodentechnologie für die Aufzeichnung, Überwachung und Stimulation von Hirngewebe. 

Dann gibt es das OneRF‑Ablationssystem zur Erzeugung von „Radiofrequenz‑Läsionen im Nervengewebe für funktionelle neurochirurgische Eingriffe“. NeuroOne hat tatsächlich die FDA‑Zulassung für sein OneRF‑Ablationssystem erhalten, wodurch es das erste und einzige System ist, das sowohl die Meldung elektrischer Aktivität als auch die Ablation von Nervengewebe ermöglicht.

Mit einer Marktkapitalisierung von 34,56 Millionen US‑Dollar notieren die NMTC‑Aktien derzeit bei 1,12 US‑Dollar, ein Anstieg von 35,61 % im Jahresverlauf. Das EPS (TTM) beträgt -0,27 und das KGV (TTM) -4,21.

Im ersten Quartal des Geschäftsjahres 2025 meldete das Unternehmen einen Produktumsatz von 3,3 Millionen US‑Dollar und einen Bruttogewinn von 1,9 Millionen US‑Dollar, während die Betriebskosten sanken. Zum 31. Dezember 2024 verfügte es über liquide Mittel und Zahlungsmitteläquivalente in Höhe von 1,1 Millionen US‑Dollar, weniger als die 1,5 Millionen US‑Dollar zum 30. September 2024.

Fazit

Durchbrüche in der gehirnbezogenen Forschung sind entscheidend für den Fortschritt der Menschheit. Schließlich ist das Gehirn unser wichtigstes Organ, das nahezu jede Funktion steuert, von Gedanken, Gedächtnis und Emotionen bis hin zu Bewegung, Sehen und Hören. Daher ist ein tieferes Verständnis des Gehirns notwendig, und die neuesten Forschungen, die Fortschritte im großskaligen Mapping synaptischer Konnektivität erzielen, markieren einen bedeutenden Schritt beim Entschlüsseln genau, wie Neuronen interagieren und kommunizieren.

Während diese Fortschritte weiter verfeinert werden, können sie den Weg für tiefere Einblicke in die Funktionsweise des Gehirns ebnen, neue therapeutische Strategien für komplexe Erkrankungen unterstützen und die neurologische Forschung revolutionieren.

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Studienreferenz:

1. Wang, J., Jung, W. B., Gertner, R. S., et al. (2025). Synaptisches Konnektivitäts‑Mapping unter Tausenden von Neuronen mittels parallelisierter intrazellulärer Aufzeichnung mit einem Mikroloch‑Elektroden‑Array. Nature Biomedical Engineering. https://doi.org/10.1038/s41551-025-01352-5