Draht zum Hirn

Die Physikerin Maria Asplund forscht in Freiburg an Elektroden, mit denen sich Gehirnzellen stimulieren lassen. Für das «Freiburg Institute for Advanced Studies» (FRIAS) habe ich sie und ihre Forschung porträtiert.
Mein Text erschien in «FRIAS News» Nr. 10 sowohl auf Englisch als auch in meiner eigenen Übersetzung auf Deutsch.
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Maria Asplund FRIAS
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Putting Good Ideas
To Use

Gute Ideen zur
Anwendung bringen

The brain is still a mystery. Although we can probe its tissue, map its blood vessels and even scan it in real-time for electrical activity, we still don’t understand many of its workings. Das Gehirn ist nach wie vor ein Rätsel. Obwohl wir sein Gewebe vermessen können, seine Gefäße kartieren und seine elektrische Aktivität in Echtzeit aufzeichnen, verstehen wir längst noch nicht, wie es genau funktioniert.
There is research on how the brain works that depends on interfacing electrodes with individual brain cells. There are also disorders such as epilepsy, Parkinson’s disease, or otherwise incurable depression that are treated with deep brain stimulation. Here, “brain pacemakers” are connected to the neurons, the specialist brain cells that transmit electrical impulses. Grundlagenforschung am Gehirn ist zum Teil darauf angewiesen, Elektroden mit einzelnen Hirnzellen in Kontakt zu bringen. Und es gibt Krankheiten wie Epilepsie, Parkinson oder anderweitig nicht behandelbare Depressionen, die mit tiefer Hirnstimulation therapiert werden können. Auch diese „Hirnschrittmacher“ werden an Neuronen angeschlossen, jene Gehirnzellen, die auf die Leitung elektrischer Impulse spezialisiert sind.
Modern technology made to interface with the brain is so advanced that scientists are not only able to detect electrical signals from single neuron cells, but also inhibit their electrical impulses or trigger them. Die heutige Technologie für die Kommunikation mit dem Gehirn kann nicht nur elektrische Signale aus einzelnen Zellen auslesen, sondern deren Impulse auch dämpfen oder generieren.
The electrodes used in the past to connect to these specialized cells were made of metals. Dr. Maria Asplund works on replacing the traditional metal electrode with polymers. Herkömmlich bestehen die Elektroden zur Verbindung mit Neuronen aus Metall. Dr. Maria Asplund will das Metall durch Polymere ersetzen.
Polymer electrodes do not corrode like metal electrodes, and Asplund also takes advantage of their ability to deliver drugs right in the vicinity of neurons. Warum? Anders als metallene Elektroden korrodieren Polymer-Elektroden nicht. Darüber hinaus könnten sie Medikamente unmittelbar an den Gehirnzellen zum Einsatz bringen.
Polymers are large molecules. In a  polymer molecule, simpler molecules, or monomers, are repeated again and again, forming a long chain. Polymere sind sehr lange Moleküle: Einfache Moleküle, sogenannte Monomere, wiederholen sich vielfach in einer langen Kette.
Polymers can be synthetic or organic.  For example, CDs are largely made up of polymers, but so is DNA. Some organic polymers conduct electricity, and these are the kind that Maria Asplund uses on microelectrodes in the brain. Es gibt sowohl synthetische als auch organische Polymere. Der Kunststoff einer CD zum Beispiel besteht aus Polymer-Molekülen. Die DNS ist ein Beispiel für ein organisches Polymer. Einige organische Polymere leiten Elektrizität, und das ist die Sorte, die Maria Asplund auf Mikroelektroden im Gehirn zum Einsatz bringt.
“My approach is not to come up with entirely new ideas,” says Asplund, “but ideas need to be tested.” There had already been published several types of conducting polymers that might be of use in experimental research when Asplund started her work. But typically, very practical problems had been left unresolved. „Ich möchte keine völlig neue Idee finden“, sagt sie, „sondern einige der vielen schon vorhandenen, aber noch ungeprüften Ideen testen.“ Als sie mit ihrer Arbeit begann, waren schon verschiedene leitende Polymere beschrieben worden, die im Gehirn zum Einsatz kommen könnten. Viele Probleme waren aber noch ungelöst.
“Adhesion is one example,” she says. In microelectrodes, usually a platinum layer will be coated with the polymer. Asplund is looking for ways to make the polymer stick more reliably to the metal. „Zum Beispiel die Beschichtung“, sagt Asplund. In Mikroelektroden wird typischerweise eine Platinfolie mit dem Polymer beschichtet. Asplund sucht nach Techniken, die das Polymer fester an das Metall binden.
She continues, “This is probably not a Science publication. But if no one solves the problem, then the new idea is not very helpful.” Trained as an engineer, she is determined to put the proposed technology into practical use. „Das wird vielleicht nicht in «Science» veröffentlicht, aber wenn niemand das Problem löst, dann ist die ganze Idee nicht sehr hilfreich.“ Als Ingenieurin reizt es sie, die konzipierte Technologie bis zur Anwendungsreife zu bringen.
Asplund studied Applied Physics and Electrical Engineering at the University of Linköping, Sweden. The focus of her PhD project at Stockholm’s Royal Institute of Technology was “conjugated conducting polymers as a means to improve neural interfaces,” where ‘conjugation’ means a type of chemical bond within the molecule that makes these polymers at once conductive and more stable. Asplund hat an der Universität von Linköping (Schweden) Applied Physics und Electrical Engineering studiert. In ihrer Promotion an der Königlich-Technischen Hochschule Stockholm arbeitete sie über „konjugierte leitende Polymere zur Verbesserung von Neuro-Interfaces“. ‚Konjugation‘ steht hier für eine Art der chemischen Bindung, die die Polymere leitfähig und zugleich stabiler macht.
During her PhD research she repeatedly came across papers by Prof. Dr. Thomas Stieglitz of the Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) at the University of Freiburg. Bei ihren Forschungen in Stockholm stieß sie des Öfteren auf Artikel von Prof. Dr. Thomas Stieglitz vom  Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) an der Universität Freiburg.
“From reading his publications, I could tell that Freiburg would be a great environment for me to conduct my work,” Asplund says. On the one hand, Stieglitz developed electrodes that are made of flexible materials. Traditional silicon-based electrodes are very rigid, causing cuts and consequently more scarring in the brain tissue. „Ich konnte aus seinen Veröffentlichungen herauslesen, dass Freiburg ein tolles Umfeld für meine Art Forschung sein würde“, sagt Asplund. Einerseits arbeitet Stieglitz mit Elektroden aus biegsamen Materialien. Die traditionell aus Silikon gefertigten Elektroden sind sehr unflexibel und verursachen mehr Einschnitte und in der Folge mehr Narbenbildung im Gewebe.
On the other hand, Asplund could see that at IMTEK, “Ideas are investigated and developed thoroughly. I could tell from many of the papers that came out of Prof. Stieglitz’s research group that they had not been published just as soon as someone had had an idea. They usually dealt with the deeper problems of the matter. They had gotten published because they were ready.” Auf der anderen Seite konnte Asplund sehen, dass Ideen am IMTEK „konsequent und gründlich entwickelt werden. Die Publikationen aus der Arbeitsgruppe von Prof. Stieglitz waren nicht veröffentlicht worden, sobald man eine Anfangsidee hatte. Sie berücksichtigten auch die tieferen Probleme des jeweiligen Themas. Sie wurden veröffentlicht, weil sie für eine Veröffentlichung bereit waren.“
Asplund didn’t regret her decision to come to Freiburg since she was appointed a junior fellow at the FRIAS School of Soft Matter Research in October of 2011. On the contrary, she has since learned that its interdisciplinary working environment is ideal for her research. Asplund, die im Oktober 2011 Junior Fellow an der FRIAS School of Soft Matter Research wurde, hat ihre Entscheidung, nach Freiburg zu kommen, nicht bereut. Im Gegenteil: Hier hat sich gezeigt, dass die interdisziplinäre Umgebung für ihre Forschung ideal ist.
Asplund says, “There are clinicians, biologists, and engineers all working together. We can do proper testing here, which is most important.” „Kliniker, Biologen und Ingenieure arbeiten hier zusammen. Wir können unsere Entwicklungen vor Ort gründlich testen, und das ist wichtig.“
She is also a member of BrainLinks-BrainTools, another of Freiburg University’s excellence clusters besides FRIAS. At BrainLinks-BrainTools, Asplund has been leader of the Junior Research Group “BioEPIC—BioElectroactive Polymers for Interaction with the Cortex” since May 2013. Asplund ist auch Mitglied von Brain-Links-BrainTools, einem weiteren Exzellenzcluster an der Universität Freiburg. Innerhalb von BrainLinks-BrainTools leitet sie seit Mai 2013 die Nachwuchsforschergruppe „Bio-EPIC – BioElectroactive Polymers for Interaction with the Cortex“.
The FRIAS funding allowed her to equip her own dedicated laboratory with state-of-the-art technology for production of the polymer-coated electrodes she engineers. But only the connection with BrainLinks-BrainTools enabled her to test them, Asplund says. “For this research to be successful, a lot of things need to come together. They do in Freiburg.” Während die FRIAS-Förderung Asplund erlaubte, ihr eigenes Laboratorium mit modernster Technologie für die Herstellung der polymerbeschichteten Elektroden auszustatten, war es nur dank der Anbindung an BrainLinks-BrainTools möglich, die Entwicklungen zu testen. „Damit diese Forschung erfolgreich ist, mussten viele Faktoren zusammenkommen“, sagt sie. „Und in Freiburg kommen sie zusammen.“
Another example of a problem Asplund solved by “proper testing” is the detection of substances released by an electrode in the brain. As an electrode interacts with neuron signals, electricity must be transmitted from solid material into a liquid environment. This is where metallic probes will lose electrons and thus eventually corrode. Ein weiteres Problem bei der Verwendung von Polymer-Elektroden, das Asplund durch „gründliche Tests“ lösen konnte, ist der Nachweis von Stoffen, die die Sonde ins Gehirn abgegeben hat. Wenn eine Elektrode Signale mit den Neuronen austauscht, muss die Ladung aus einem Feststoff in Flüssigkeit übergehen. Bei diesem Vorgang verlieren metallische Oberflächen Elektronen und korrodieren so mit der Zeit.
Polymer-coated devices are better suited for the environment of the brain tissue as they transmit electricity by exchanging ions. Polymers, due to their porousness, can also retain and release bioactive substances such as drugs. Polymerbeschichtete Einheiten dagegen passen besser zur Umgebung des Zellgewebes. Sie übertragen Ladungen mittels Ionenaustausch. Weil Polymere porös sind, können sie bioaktive Substanzen aufnehmen und wieder abgeben, beispielsweise Medikamente.
Brain implants regularly become encapsulated by the body in scar tissue, effectively insulating them and rendering them useless. Polymer coatings could be made to release controlled doses of dexamethasone, or ‘dex’, an anti-inflammatory drug and immunosuppressant., thereby preventing scarring. Hirnimplantate werden früher oder später vom Körper in Narbengewebe eingekapselt, was sie elektrisch isoliert und unbrauchbar macht. Polymerisierte Oberflächen auf den Elektroden könnten einen entzündungshemmenden und immunosuppressiven Wirkstoff, beispielsweise Dexamethason (oder „Dex“) kontrolliert abgeben und der Vernarbung vorbeugen.
The release of dex by the polymer microelectrodes had been described before in the literature but not been understood correctly, says Asplund. She and her colleague Christian Böhler showed that the conventional method for quantifying the release of dex from laboratory samples produced false positives and was inadequate. Diese Dex-Gabe sei in der Literatur bereits beschrieben, aber der Mechanismus sei falsch verstanden worden, sagt Asplund. Sie und ihr Kollege Christian Böhler konnten zeigen, dass die konventionelle Methode zur Messung des von den Elektroden abgegebenen Dex falsche Positive generierte und unbrauchbar war.
“We found out that the delivery system of the polymer works in other ways than was previously published”, she says. Being able to quantify the dex released from the polymer electrodes is essential for evaluating the technology’s usefulness. Asplund solved this problem during her FRIAS fellowship. „Wir haben herausgefunden, dass die Stoffübertragung am Polymer anders abläuft, als bisher publiziert“, sagt Asplund. Für die Beurteilung des Nutzwerts der Elektroden müsse man das abgegebene Dex jedoch quantifizieren können. Asplund hat dieses Problem im Rahmen ihres Projekts als FRIAS-Fellow gelöst.
“Another idea that we’re testing is the release of a dye instead of a drug through the polymer.” That would enable the scientists to know after an experiment exactly which neurons the probe had been in contact with. „Eine weitere Idee ist, das Polymer Farbstoff abgeben zu lassen anstatt eines Medikaments“, sagt Asplund. Dadurch könnten die Forscher nach einem Experiment exakt feststellen, zu welchen Neuronen eine Sonde Kontakt hatte.
Asplund’s work transforms theories into utilities, thus enabling progress in medical treatments as well as in basic research. In that way she contributes to the brain becoming less and less of a mystery. Asplund verwandelt mit ihrer Arbeit Theorien in Anwendungen. Das ermöglicht Fortschritte sowohl in der Behandlung von Krankheiten als auch in der Grundlagenforschung. So trägt sie dazu bei, dass das Rätsel Gehirn nach und nach gelöst wird.

Gedruckte Texte von Martin Jost

This article appeared in issue #10 of FRIAS News.


Gedruckte Texte von Martin Jost

Dieser Artikel erschien in Ausgabe 10 von «FRIAS News».

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