Herausforderungen der Menschenwürde durch Eingriffe in das Gehirn
Des Menschen Würde in unserer Hand – Herausforderungen durch neue TechnologienDeutscher Ethikrat, Jahrestagung 27.-28. Juni 2018, Berlin
Prof. Dr. Katrin AmuntsDirektorin des Instituts für Neurowissenschaften und Medizin, Forschungszentrum Jülich
Direktorin des C. & O. Vogt-Instituts für Hirnforschung, UKD, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Scientific Research Director, The Human Brain Project
3.000.000 km„Kabel“ Lernen
UnglaublicheFähigkeiten
1,5 LiterVolumen
10 WattEnergie-
verbrauch
100 Jahrefunktionsfähig
ohne”Ersatzteile”
100 Mrd. Nervenzellenje 104 Synapsen
je 2 mögliche Zustände= 21.000.000.000.000.000
7 von 10der das Leben am
meisten beeinträchtigenden
Krankheiten (DALYs) haben mit dem
Gehirnzu tun
1-1.5 MioDemenz-
Erkrankungen2015
3-3.5 MioDemenz-
Erkrankungen 2050
Schlaganfallzweithäufigste Todesursache
Verlust von
Sprachenach
Schlaganfall
Depressionbei Veränderung
in den Transmittern
Veränderung derPersönlichkeit bei
SchizophrenieWie lassen sich die
Zusammenhänge erklären?
Decoding the Human Brain
Multi-Scale – in Raum und Zeit
ETHIK & GESELLSCHAFT
NEUROWISSENSCHAFTEXPERIMENT & THEORIE
Eines der komplexesten Systeme….
FORSCHUNGSINFRASTRUKTURDATAANALYTICS & SIMULATION
Processing Element
Processing Element
Processing Element
Processing Element
Rout
er
SerDesSerDesSerDes
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MCU
Memory Interface
Shared Memory
Shared Memory
Die verschiedenen Ebenen in einem Atlas des Gehirns abbilden
JuBrainAtlas:regionale Unterschiede & Variabilität
Amunts and Zilles, Neuron, 2015
Castelo-Branco, Goebel, Neuenschwander, Singer (2000). Nature, 405, 685-689.; Castelo-Branco, Formisano, Backes, Zanella, Neuenschwander, Singer & Goebel (2002) Proc Natl Acad Sci USA, 99, 13914-13919.
Gehirnaktivität bei WahrnehmungswechselMit Neurobildgebung bei hoher Feldstärke
Ambiguous Plaids Stimulus
Aktivität im bewegungssensitiven Areal hMT
Rainer Goebel (Maastricht)
A m unts , e t a l., P LoS B io logy, 2010
sd
44d
op7
op8
ifj2ifj1
ifs /p rcs
44v
M1
fmo
l/mg
pro
tein
60
475
889
1200
44v
ifs /p rcs
sd
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ifs /p rcs
M2 Kainate
44d
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ifj2ifj1
GABAA
44d
op7
op8
ifj2ifj1
44v
ifs /p rcs
2300
300
1027
1755
fmo
l/mg
pro
tein
530
100
256
374
fmo
l/m
g p
rote
in380
40
164
287
fmo
l/m
g p
rote
in
Azetylcholin Azetylcholin Glutamat GABA
Rezeptoren für Botenstoffe dienen der Signalübertragungund sind regional unterschiedlich verteilt
Kontrolle
M. Alzheimer
Hohe Rezeptordichtecholinerger,muskarinischerM1-Rezeptor
Niedrige Rezeptordichte
Hippocampus
Karl Zilles et al.
Cochrane-Studie • Donezepil
(Azatylcholinesterasehemmer)• Meta-Analyse (N=8257)• „small benefits“Cochrane Database Syste Rev. 2018 Jun 18;6:CD001190. doi: 10.1002/14651858. CD001190.pub3. [Epub ahead of print]
Pharmakologische InterventionenZur Steigerung der kognitiven Leistungen bei Patienten mit Alzheimer
Pharmakologische InterventionenZur Steigerung der kognitiven Leistungen bei gesunden Erwachsenen
Greely et al., Nature, 2008
In manchen Universitäten in den USA: von 25% der Studierenden im letzten Jahr genutzt
• Die Autoren plädieren für einen positiven Umgang und verweisen auf die neuen Möglichkeiten zur Verbesserung der Lebensqualität
• Dafür sind Regeln für den Umgang bei gesunden Erwachsenen zu erarbeiten
• Forschung zu Nutzen und Auswirkungen notwendig
Negativer Effekt bei Patienten mit Epilepsie auf das Wortgedächtnis (% recalled) nach Stimulation im entorhinalen Cortex(Stim) im Vergleich zur Bedingung ohne Stimulation (NS)
Neuro-Enhancement: Zur Steigerung der kognitiven Leistungen bei Kindern mit ADHD
Vor der Reform Nach der Reform
Wenig Evidenz für Verbesserung, aber möglicherweise negative Effekte
Currie et al., Do stimulant medications improve educational and behavioraloutcomes for children with ADHD? J Health Econom, 2015
• Morbus Parkinson• Essentieller Tremor• Epilepsie• Gedächtnisleistung, z.B. Morbus
Alzheimer• Depression und bipolare Störung • Tourette Syndrome• Zwangsstörung (OCD)• Suchterkrankung• Essstörungen • Alkoholismus• andere
Tiefe Hirnstimulation: Anwendungsgebiete
Coenen et al., Dt. Ärzteblatt, 2015
Negativer Effekt bei Patienten mit Epilepsie auf das Wortgedächtnis (% recalled) nach Stimulation im entorhinalen Cortex (Stim) im Vergleich zur Bedingung ohne Stimulation (NS)
Tiefe Hirnstimulation: Gedächtnisleistung
Jacobs et al., Neuron, 2015
Entorhinaler Cortex
Position der Elektrode
Gewebeschnitt mit 1.7 TByteBerechnet auf JURECA @ JSC
Axer, et al., 2016; Amunts et al., 2014, Axer et al., 2011
Tiefe Hirnstimulation: Morbus Parkinson
Leisman and Melillo, Rev Neurosci. 24(1):9-25, 2013
Coenen et al., 2015
Verbesserung • der Lebensqualität: 25%• UPDRS (Motorik): 41-50%• Dyskinesien : 20%
Nebenwirkungen:kognitive Veränderungen, Hypomanie, Depression, Gewichtszunahme u.a.• komplexe Ursachen• Sorgfältige Auswahl der Patienten
notwendig
Nucleus subthalamicus
Große Unterschiede zwischen den Studien in Bezug auf die Unterteilung und Lokalisation
Tiefe Hirnstimulation: Morbus Parkinson
Keuken et al., 2014
Leisman and Melillo, Rev Neurosci. 24(1):9-25, 2013
Nucleus subthalamicus
The HBP Human Brain Atlas: Integrating and sharing data
H orizon 2020 , G ran t A greem ent N o 720270 (H um an B ra in P ro jec t S G A 1)
Nucl. subthalamicus
Tiefe HirnstimulationEssentieller Tremor
• Stimulation des Nucl. subthalamicus
• Problem: Häufige Entwicklung von Toleranz
Tiefe HirnstimulationEssentieller Tremor
• Ziel: Zwangshandlungen zu beeinflussen oder zu verringern, z.B. häufiges Händewaschen
• Stimulation im Nucleus subthalamicus• Moduliert Entscheidungen• Keine Standardtherapie
Tiefe Hirnstimulation: Zwangserkrankungen
Leisman and Melillo, Rev Neurosci. 24(1):9-25, 2013
Nucleus subthalamicus
Closed Loop:• Sensoren für bedarfsgerechtere
Stimulation• Vorhersage der Hirnaktivität und
entsprechende Anpassung der Stimulation
• Eingriff in die Autonomie?• Vorschlag: Wirkung vergleichbar mit
einer persönlichen Beziehung – kann Autonomie fördern oder auch gefährden
Goering et al., AJOB, 2017; Kiverstein et al., AJOB, 2017
Künstliches neuronales NetzPerzeptron
Vom Gehirn lernenDeep Learning
Neuronale Architektur des menschlichen Gehirns
Cytoarchitecture of the visual cortex, Amunts et al., 20000
Sch
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en d
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irnr
inde
74% Genauigkeit (5 Erzählungen, n=39)
100% Genauigkeit (n=34 (5))
Analyse natürlicher Sprachedurch maschinelles Lernen
Analyse natürlicher SpracheIn Blogs
Epileptische Erkrankungen betreffen ca. 50 Mio.Menschen weltweit30% aller Patienten entwickeln eine ArzneimittelresistenzEpilepsiechirurgie ist die einzige Alternative und zielt aufdie Entfernung des epileptogenen Gewebes nach invasiverSEEG.
Die Erfolgsquotevon neurochirur-gischen Eingriffenist seit ca. 50Jahren konstant
Jirsa et al. Brain 2015; Proix et al. Brain 2017; Pillai & Jirsa Neuron 2017; Proix, Jirsa et al Nat Comm 2018
Modellierung von Gehirnaktivität: Epilepsie
14804 registrierte Nutzer, Juni 2018http://www.thevirtualbrain.org
Individualisierte Intervention
Neue In-silico Methoden für eine personalisierte Medizin
Neurobildgebung Personalisierte Netzwerkmodelle
0.10.2
0.40.5
0.60.3
00.7
B en ch m ark fü rB ew u sstse in
K alib rieru n g A n w en d u n g
ZIP
B en ch m ark fü rB ew u sstse in sverlu st
P atien ten im S tatus vegeta tivus
20% B ew usste in n ich te rkennbar
PerturbationalComplexityIndex
Funktione lle In tegration
Funktione lleD ifferen zieru n g
K o m p lex itä t
TH E O R E TIIS C H E N E U R O W U S S E N S C H A FT E M P IR IS C H E A N N Ä H E R U N G K L IN IS C H E A N W E N D U N G
Bewusstsein und Komplexität
Marcello Massimini (Univ. Milano) und Kollegen
„Woher“ und „Wohin“?
• Eingriffe in das Gehirn sind ein Weg Erkrankungen zu behandeln, manchmal der einzige verbleibende
• Eingriffswege: z.B. über Wirkstoffe, neurochirurgische Eingriffe, Umwelt/unsere Sinne – das Gehirn ist ständig Veränderungen ausgesetzt
• Die Modellierung von Gehirnaktivität und Netzwerken sowie KI eröffnen neue Wege hin zu einer individualisierten Therapie
• Die Komplexität der Hirnorganisation ist eine große Herausforderung für Grundlagenforschung und Medizin
• Umfassendes Wissen der neurowissenschaftlichen Grundlagen und klinische Evidenz sind notwendig, um informiert entscheiden zu können
• Die Eindringtiefe und der Grad der Berührung der Menschenwürde ist unterschiedlich
Institut für Neurowissenschaften und Medizin, INM-1Markus Axer, Sebastian Bludau, Markus Cremer, Simon Eickhoff, Timo Dickscheid, David Gräßel, Rene Hübbers, Marcel Huysegoms, Hartmut Mohlberg, Nicola Palomero, Martin Schober, Nicole Schubert Karl Zilles mit besonderem Dank
C. & O. Vogt Institut für Hirnforschung, Heinrich Heine Universität DüsseldorfHans Bidmon, Manuel Marx
Jülich Supercomputing CenterThomas Lippert, Norbert Attig, Oliver Bücker, Anna Lührs Dirk Pleiter, Bastian Twedell ...
McGill University, MontrealAlan Evans, Claude Lepage, Louis Borgeat, Lindsay Lewis, Reza Adalat
The Human Brain ProjectJan Bjaalie, Vktor Jirsa und Gustavo Deco
Gefördert im Rahmen von Horizon 2020, Grant Agreement No 720270 (Human Brain Project SGA1)
Supercomputing and Modeling for the Human BrainGefördert durch die Helmholtz Gemeinschaft