Neurotech: Physics and Chemistry of Neuromodulation Technologies - Cheatsheet

Grundlagen der Elektrophysiologie

Definition:

Grundlagen der Messung und Analyse elektrischer Phänomene in biologischen Systemen.

Details:

• Ruhepotential: Gleichgewichtspotential einer Zelle (~ -70 mV bei Neuronen).
• Aktionspotential: Kurzzeitige Umkehr der Membranpolarität (~ +30 mV, Dauer: ~ 1 ms).
• Nernst-Gleichung: \( E = \frac{RT}{zF} \ln \frac{[ion]_{außen}}{[ion]_{innen}} \).
• Goldman-Gleichung: \( E_m = \frac{RT}{F} \ln \left(\frac{P_{K^+}[K^+]_{außen} + P_{Na^+}[Na^+]_{außen} + P_{Cl^-}[Cl^-]_{innen}}{P_{K^+}[K^+]_{innen} + P_{Na^+}[Na^+]_{innen} + P_{Cl^-}[Cl^-]_{außen}}\right) \)
• Ionenkanäle: Proteine, die spezifische Ionen durch die Zellmembran leiten.
• Elektrophysiologische Techniken: Patch-Clamp, Voltage-Clamp, Intrazelluläre Aufzeichnung.

Mechanismen elektrischer und magnetischer Stimulation

Definition:

Mechanismen der Beeinflussung neuronaler Aktivität durch elektrische oder magnetische Felder.

Details:

• Elektrische Stimulation: Direkte Anwendung von elektrischem Strom auf Nervengewebe.
• Magnetische Stimulation: Nutzung von sich ändernden Magnetfeldern zur Induktion elektrischer Ströme im Gehirn.
• Ziel: Auslösen, modulieren oder inhibieren neuronaler Signale.
• Beispiele: Transkranielle Magnetstimulation (TMS), Tiefe Hirnstimulation (DBS).

Chemische Neurotransmission

Definition:

Übertragung von Signalen zwischen Neuronen durch chemische Botenstoffe (Neurotransmitter) im synaptischen Spalt.

Details:

• Signalweiterleitung: Elektrischer Impuls erreicht präsynaptische Endigung.
• Freisetzung von Neurotransmittern durch Exozytose.
• Diffusion der Neurotransmitter durch den synaptischen Spalt.
• Bindung an Rezeptoren der Postsynapse.
• Entstehung eines postsynaptischen Potentials (PSP).
• Bsp.: Acetylcholin, Dopamin, Serotonin.

Materialwissenschaften der Neuroimplantate

Definition:

Materialwissenschaften der Neuroimplantate befasst sich mit den verwendeten Materialien und ihrer Interaktion mit biologischen Systemen zur Sicherstellung der Biokompatibilität und Funktionalität von Implantaten.

Details:

• Biokompatibilität: Verhindert Immunreaktionen und Gewebeabstoßung.
• Leitfähige Materialien: Metalllegierungen (z.B. Titan), Polymere (z.B. PEDOT).
• Korrosionsbeständigkeit: Wichtige Eigenschaft für langlebige Neuroimplantate.
• Beschichtungen: Verwendung von Biofilm-beschichtungen zur verbesserten Gewebeintegration.
• Stimulierung und Aufzeichnung: Materialwahl beeinflusst die Effizienz der neuronalen Schnittstellen.
• Flexibilität und Festigkeit: Materialien müssen mechanisch anpassbar und robust sein.

Interaktionen zwischen neuronalen Zellen und Implantaten

Definition:

Interaktionen zwischen neuronalen Zellen und Implantaten betreffen die elektromechanischen und biochemischen Prozesse an der Schnittstelle.

Details:

• Wichtige Faktoren: Biokompatibilität, elektrische Leitfähigkeit, mechanische Flexibilität.
• Glialnarbenbildung kann Elektrodenfunktion beeinträchtigen.
• Verwendung von Materialien wie Gold, Platin oder leitfähigen Polymeren.
• Oberflächenmodifizierung zur Förderung des Zellwachstums.
• Langzeitstabilität und minimal-invasive Implementierung sind entscheidend.
• Signalübertragung: Direkte elektrische Stimulation oder Aufnahme neuronaler Aktivitäten.

Design und Entwicklung von Neuroimplantaten

Definition:

Entwicklung und Optimierung von Geräten zur direkten Interaktion mit dem Nervensystem für therapeutische oder diagnostische Zwecke.

Details:

• Ziel: Verbesserung der Funktionalität und Biokompatibilität
• Materialien: biokompatible Polymere, Metalle (z.B. Titan), Keramiken
• Elektronik: Miniaturisierte Schaltkreise, Stimulationselektroden
• Integration: Zusammenarbeit von Ingenieuren, Chemikern, Biologen und Medizinern
• Herausforderungen: Immunabwehr, Langzeitstabilität, Signalgenauigkeit
• Beispiele: Cochlea-Implantate, Tiefenhirnstimulation (DBS)

Ethische Fragestellungen bei der Verbesserung des Menschen

Definition:

Ethische Fragestellungen bei der Verbesserung des Menschen betreffen moralische Aspekte und gesellschaftliche Konsequenzen von Eingriffen in die menschliche Biologie zur Leistungssteigerung.

Details:

• Invasive und nicht-invasive Methoden der Neuromodulation
• Gerechtigkeit und Zugang zu Technologien
• Risikobewertung und Langzeitfolgen
• Autonomie und Einwilligung
• Veränderung des Selbstverständnisses des Menschen
• Verantwortungsbewusstsein bei der Entwicklung und Anwendung von Technologien

Innovative Technologien in der Neurostimulation

Definition:

Fortschrittliche Methoden zur Modulation neuronaler Aktivität mit medizinischen Anwendungen, wie Schmerzlinderung und Behandlung neurologischer Störungen.

Details:

• Verwendung von elektrischen, magnetischen und chemischen Stimuli
• Beispiele: Tiefe Hirnstimulation (DBS), transkranielle Magnetstimulation (TMS), vagale Nervenstimulation (VNS)
• Ziele: Verbesserung der Lebensqualität, Reduktion von Symptomen, Erforschung neuronaler Mechanismen
• Parameteroptimierung: Intensität, Frequenz, Pulsdauer
• Sicherheitsaspekte: Minimierung der Nebenwirkungen, präzise Zielgenauigkeit
• Fortschritte in Materialwissenschaften: Biokompatibilität, Langzeitstabilität