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

SerDes SerDes SerDes SerDes

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

44d

op7

op8

ifj2ifj1

44v

ifs /p rcs

M2 Kainate

44d

op7op8

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

icht

en d

er H

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