Mehrskalenmodellierung von Ultraschall-Neuromodulation des menschlichen Gehirns -- vom Neuron zum Gehirn

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Marc-André Keip; Professor Michael Ortiz, Ph.D.; Professor Dr. Metin Sitti
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465186293

Ultraschall-Neuromodulation (UNM) ist eine der bedeutendsten neuen Technologien der humanen Neurowissenschaften, da sie auf nicht-invasive Weise die neurale Aktivität in tiefen Gehirnregionen mit einer räumlichen Auflösung im Millimeterbereich steuern kann. Aus diesem Grund hat sie in der jüngeren Vergangenheit gesteigertes Interesse hervorgerufen. UNM komplementiert bildgebende Verfahren zur Analyse der zerebralen Konnektivität und Funktion in grundlagenorientierten und klinischen Anwendungen. Etablierte nicht-invasive Modulationsverfahren wie die Transkranielle Magnet- und Elektrostimulation (TMS bzw. TES) sind bzgl. ihrer zugrundeliegenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten auf überwiegend kortikale Regionen und eine räumliche Auflösung im Zentimeterbereich limitiert. Sie erlauben keinen Zugang zu subkortikalen Arealen und den dortigen neurologischen Funktionen. Im Gegensatz hierzu gestatten die physikalischen Gesetzmäßigkeiten des Ultraschalls das Anpeilen tiefer Gewebestrukturen im Millimetermaßstab, so auch im Gehirn. Ein wesentliches Ziel des vorliegenden Projekts ist es, zur Entwicklung von Technologien beizutragen, mit deren Hilfe man auf präzise Weise die menschliche neuronale Aktivität beeinflussen kann, und welche Hand in Hand mit bildgebenden Verfahren wie der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT), der Elektroenzephalographie (EEG) und der Magnetoenzephalographie (MEG) zum Einsatz kommen können. Trotz des jüngst gesteigerten Interesses an UNM, besteht derzeit noch weitgehende Unkenntnis über eine Reihe wesentlicher, zugrundeliegender Mechanismen. Ferner stellen die kürzlich entdeckten räumlichen Fehlwahrnehmungen im Zusammenhang mit direkter Neuromodulation signifikante Herausforderungen für den Einsatz dieser Technologie in der humanen Neurowissenschaft dar. Um diese Herausforderungen zu überwinden, werden wir ein mechanistisches Verständnis der Ultraschall-Neuromodulation entwickeln, welches uns in die Lage versetzt, Methoden für die direkte, räumlich selektive Steuerung der humanen Gehirnfunktion bereitzustellen. Das übergeordnete, methodische Ziel des vorliegenden Projekts ist die Entwicklung einer mehrskaligen Hierarchie von elektromechanischen Modellen, welche zum grundlegenden Verständnis und zur modellbasierten Vorhersage von Gehirnaktivität und Neuromodulation infolge von ultraschallbasierter Anregung dienen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2311: Robuste Kopplung kontinuumsbiomechanischer in silico Modelle für aktive biologische Systeme als Vorstufe klinischer Applikationen - Co-Design von Modellierung, Numerik und Nutzbarkeit