Herausforderungen der Menschenwürde durch Eingriffe in das Gehirn - Des Menschen Würde in unserer Hand - Herausforderungen durch neue Technologien ...
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Herausforderungen der Menschenwürde durch Eingriffe in das Gehirn Des Menschen Würde in unserer Hand – Herausforderungen durch neue Technologien Deutscher Ethikrat, Jahrestagung 27.-28. Juni 2018, Berlin
Prof. Dr. Katrin Amunts Direktorin 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 Lernen
„Kabel“
100 Mrd. Nervenzellen
je 104 Synapsen 10 Watt
Energie- Unglaubliche
je 2 mögliche Zustände Fähigkeiten
verbrauch
= 2 1.000.000.000.000.000
100 Jahre
funktionsfähig 1,5 Liter
ohne Volumen
”Ersatzteile”
1-1.5 Mio
Depression Demenz-
Erkrankungen
bei Veränderung
2015
in den
Transmittern 3-3.5 Mio
Demenz-
Erkrankungen
7 von 10 2050
der das Leben am
meisten Verlust von
beeinträchtigenden Sprache
Krankheiten (DALYs)
nach
haben mit dem
Schlaganfall Schlaganfall
Gehirn zweithäufigste
zu tun Todesursache
Veränderung der
Persönlichkeit bei
Wie lassen sich die Schizophrenie
Zusammenhänge erklären?
Eines der komplexesten
Decoding the Human Systeme….
Brain
ETHIK & GESELLSCHAFT
NEUROWISSENSCHAFT
EXPERIMENT & THEORIE
d Zeit
m un
Rau
– in
SerDes SerDes SerDes
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Processing
Shared Memory
Router
Element
Processing
Element
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Processing
Processing MCU Shared Memory
ti
Element
Element
Mul
SerDes SerDes SerDes SerDes Memory Interface
FORSCHUNGSINFRASTRUKTUR
DATA ANALYTICS & SIMULATION
Die verschiedenen Ebenen in einem Atlas des Gehirns abbilden
JuBrain Atlas: regionale Unterschiede & Variabilität Amunts and Zilles, Neuron, 2015
Gehirnaktivität bei Wahrnehmungswechsel
Mit Neurobildgebung bei hoher Feldstärke
Ambiguous Plaids Stimulus
Castelo-Branco, Goebel, Neuenschwander, Singer (2000). Nature, 405, 685-689.; Castelo-Branco, Form isano, Backes, Zanella,
Neuenschwander, Singer & Goebel (2002) Proc Natl Acad Sci USA, 99, 13914-13919.
Aktivität im bewegungssensitiven Areal hMT Rainer Goebel (Maastricht)
Rezeptoren für Botenstoffe dienen der Signalübertragung
und sind regional unterschiedlich verteilt
M1 M2 Kainate GABAA
ifs /p rc s ifs /p rc s
ifs /p rc s ifs /p rc s
44d ifj1 44d ifj1
ifj2 44d 44d ifj1
sd s d ifj2 ifj1
ifj2
ifj2
44v op7 44v op7
44v op7 44v op7
op8
op8 op8
op8
1200 380 530 2300
fmol/mg protein
fmol/mg protein
fmol/mg protein
287
fmol/mg protein
889 374 1755
475 164 256 1027
Azetylcholin Azetylcholin Glutamat GABA
60 40 100 300 A m u n ts , e t a l., P L o S B io lo g y , 2 0 1 0Pharmakologische Interventionen
Zur Steigerung der kognitiven Leistungen bei Patienten mit Alzheimer
Hohe Niedrige
Rezeptordichte Rezeptordichte
cholinerger,
muskarinischer
M1-Rezeptor
Kontrolle
Cochrane-Studie Hippocampus
• Donezepil
(Azatylcholinesterasehemmer)
• Meta-Analyse (N=8257)
• „small benefits“
Cochrane Database Syste Rev. 2018 Jun
M. Alzheimer
18;6:CD001190. doi: 10.1002/14651858.
CD001190.pub3. [Epub ahead of print] Karl Zilles et al.Pharmakologische Interventionen
Zur Steigerung der kognitiven Leistungen bei gesunden Erwachsenen
• 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
In manchen Universitäten in den USA: von 25%
• Forschung zu Nutzen und
der Studierenden im letzten Jahr genutzt
Auswirkungen notwendig
Greely et al., Nature, 2008Neuro-Enhancement:
Zur Steigerung der kognitiven Leistungen bei Kindern mit ADHD
Vor der Reform Nach der Reform
Negativer Effekt bei Patienten mit Epilepsie auf das Wortgedächtnis (% recalled) nach
Stimulation im entorhinalen Cortex(Stim) im Vergleich zur Bedingung ohne Stimulation (NS)
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, 2015Tiefe Hirnstimulation:
Anwendungsgebiete
• Morbus Parkinson
• Essentieller Tremor
• Epilepsie
• Gedächtnisleistung, z.B. Morbus
Alzheimer
• Depression und bipolare Störung
• Tourette Syndrome
• Zwangsstörung (OCD)
• Suchterkrankung
• Essstörungen
• Alkoholismus
• andere
Coenen et al., Dt. Ärzteblatt, 2015Tiefe Hirnstimulation:
Gedächtnisleistung Position der Elektrode
Entorhinaler Cortex
Negativer Effekt bei Patienten mit Epilepsie auf das Wortgedächtnis (% recalled) nach
Stimulation im entorhinalen Cortex (Stim) im Vergleich zur Bedingung ohne Stimulation
(NS)
Jacobs et al., Neuron, 2015Gewebeschnitt mit 1.7 TByte
Berechnet auf JURECA @ JSC
Axer, et al., 2016; Amunts et al., 2014, Axer et al., 2011Tiefe Hirnstimulation:
Morbus Parkinson
Verbesserung
• der Lebensqualität: 25%
• UPDRS (Motorik): 41-50%
• Dyskinesien : 20%
Nebenwirkungen:
kognitive Veränderungen, Hypomanie,
Depression, Gewichtszunahme u.a.
Nucleus • komplexe Ursachen
subthalamicus
• Sorgfältige Auswahl der Patienten
Leisman and Melillo, Rev Neurosci. 24(1):9-25, 2013
notwendig
Coenen et al., 2015Tiefe Hirnstimulation:
Morbus Parkinson
Große Unterschiede zwischen den Studien in
Bezug auf die Unterteilung und Lokalisation
Nucleus
subthalamicus
Leisman and Melillo, Rev Neurosci. 24(1):9-25, 2013
Keuken et al., 2014The HBP Human Brain Atlas: Integrating and sharing data
Nucl. subthalamicus
H o riz o n 2 0 2 0 , G ra n t A g re e m e n t N o 7 2 0 2 7 0 (H u m a n B ra in P ro je c t S G A 1 )Tiefe Hirnstimulation Essentieller Tremor
Tiefe Hirnstimulation
Essentieller Tremor
• Stimulation des Nucl.
subthalamicus
• Problem: Häufige Entwicklung von
ToleranzTiefe Hirnstimulation:
Zwangserkrankungen
• Ziel: Zwangshandlungen zu
beeinflussen oder zu verringern, z.B. Closed Loop:
häufiges Händewaschen • Sensoren für bedarfsgerechtere
• Stimulation im Nucleus subthalamicus Stimulation
• Moduliert Entscheidungen • Vorhersage der Hirnaktivität und
• Keine Standardtherapie entsprechende Anpassung der
Stimulation
• Eingriff in die Autonomie?
• Vorschlag: Wirkung vergleichbar mit
einer persönlichen Beziehung – kann
Autonomie fördern oder auch gefährden
Nucleus
subthalamicus
Leisman and Melillo, Rev Neurosci. 24(1):9-25, 2013 Goering et al., AJOB, 2017; Kiverstein et al., AJOB, 2017Vom Gehirn lernen
Deep Learning
Neuronale Architektur des Künstliches neuronales Netz
menschlichen Gehirns Perzeptron
Schichten der Hirnrinde
Cytoarchitecture of the visual cortex, Amunts et
al., 20000Analyse natürlicher Sprache
durch maschinelles Lernen
100% Genauigkeit (n=34 (5))
74% Genauigkeit (5 Erzählungen, n=39)Analyse natürlicher Sprache In Blogs
Modellierung von Gehirnaktivität:
Epilepsie
Epileptische Erkrankungen betreffen ca. 50 Mio.
Menschen weltweit Die Erfolgsquote
30% aller Patienten entwickeln eine Arzneimittelresistenz von neurochirur-
gischen Eingriffen
Epilepsiechirurgie ist die einzige Alternative und zielt auf
ist seit ca. 50
die Entfernung des epileptogenen Gewebes nach invasiver Jahren konstant
SEEG.
Neue In-silico Methoden für eine personalisierte Medizin
Neurobildgebung Personalisierte Netzwerkmodelle Individualisierte
Intervention
14804 registrierte Nutzer, Juni 2018
http://www.thevirtualbrain.org
Jirsa et al. Brain 2015; Proix et al. Brain 2017; Pillai & Jirsa Neuron 2017; Proix, Jirsa et al Nat Comm 2018Bewusstsein und Komplexität
T H E O R E T IIS C H E N E U R O W U S S E N S C H A F T 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
K a lib rie ru n g A nw endung
B e n c h m a rk fü r
F u n k tio n e lle
0 .7
B e w u s s ts e in
D iffe re n z ie ru n g
Perturbational Complexity Index
0 .6
P a tie n te n im S ta tu s v e g e ta tiv u s
K o m p le x itä t
0 .5
2 0 % B e w u s s te in n ic h t
ZIP
0 .4
e rk e n n b a r
0 .3
0 .2
0 .1
F u n k tio n e lle In te g ra tio n
B e n c h m a rk fü r
0
B e w u s s ts e in s v e rlu s t
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-1
Markus 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 Düsseldorf
Hans Bidmon, Manuel Marx
Jülich Supercomputing Center The Human Brain Project
Thomas Lippert, Norbert Attig, Oliver Bücker, Anna Lührs Jan Bjaalie, Vktor Jirsa und Gustavo Deco
Dirk Pleiter, Bastian Twedell ... Gefördert im Rahmen von Horizon 2020, Grant Agreement
No 720270 (Human Brain Project SGA1)
McGill University, Montreal Supercomputing and Modeling for the Human Brain
Alan Evans, Claude Lepage, Louis Borgeat, Lindsay Gefördert durch die Helmholtz Gemeinschaft
Lewis, Reza AdalatSie können auch lesen
