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Unfälle können im schlimmsten Fall viel in euren Leben verändern. Leider. Vor allem gefährdet ist unser Gehirn dabei, weil es unseren Körper steuert und für so viele wichtige Dinge zuständig ist.
Mein Name ist Theresa Rienmüller. Ich arbeite am Institut für Biomechanik und ich züchte im Labor Gehirnzellen, um Verletzungen zu erforschen und ihre Behandlung zu verbessern. Um dieses Ziel zu erreichen, forsche ich an Nervenzellen. Ich will sie besser verstehen und in der Folge auch besser heilen können. Zum Beispiel will ich wissen, wie Nervenzellen miteinander kommunizieren, wie sie auf Verletzungen reagieren und welche Unterschiede es da bei den verschiedenen Zellen im menschlichen Gehirn gibt. Ja, genau. Im Hirn haben du und ich sehr viele verschiedene Arten von Zellen mit komplizierten Namen. Das sind zum Beispiel die Oligodendrozyten, die Astrozyten und verschiedene Mikroglia. Aber alles der Reihe nach.
Nervenzellen sind die Kommunikationsleitungen unseres Körpers. Sie senden elektrische und chemische Signale und steuern damit alles, was wir tun. Zum Beispiel kannst du dich dank ihnen bewegen, deinen Bildschirm sehen, dein Mittagessen riechen und über dieses Video nachdenken. Wir können unsere Nervenzellen auch mit elektrischen Signalen stimulieren und gezielt beeinflussen.
Ich arbeite in meiner Forschung mit viel Biologie und Medizin, um die Nervenzellen kennenzulernen und zu verstehen. Und ich nutze computergestützte Werkzeuge, um die vielen Messdaten, die ich mit meiner Arbeitsgruppe generiere, besser zu verstehen und Dinge zu erkennen, die in diesen vielen Daten gar nicht so leicht zu finden sind. Aber dazu etwas später.
Damit wir die Nervenzellen einfach in kontrollierten Bedingungen und ungefährlich untersuchen können, züchten wir sie in Petrischalen im Labor. Petrischalen sind kleine runde Glasschalen, kaum größer als eine Handfläche. Wir lassen die Zellen dann in einer genau abgestimmten Nährstofflösung heranwachsen und Verbindungen aufbauen. Das schaut dann ungefähr so aus. Sie funktionieren in der Petrischale dann fast so wie in unseren menschlichen Körpern und wir können mit ihnen wichtige Experimente machen, um die Diagnose und Behandlung zu verbessern.
Gerade arbeiten wir daran besser zu verstehen, was bei einer Gehirnerschütterung passiert. Unser Gehirn besteht ja aus Nervenzellen und vielen weiteren Zelltypen, die gemeinsam seine Funktion ermöglichen. Bei einem Trauma, etwa durch einen Sturz oder einen schweren Schlag auf den Kopf, werden diese Zellen plötzlich stark bewegt und gedehnt. Sie können dabei schwere Schäden nehmen, die im schlimmsten Fall nachhaltige Probleme erzeugen. Unser Gehirn muss lernen, mit diesen Schäden umzugehen. Wir wollen diesen Genesungsverlauf im Labor beobachten und besser verstehen. Wir fügen dazu unseren in der Petrischale gezüchteten Gehirnzellen gezielt ein Trauma zu. Zum Beispiel dehnen oder drücken wir sie kurz. So können wir im Labor eine Verletzung nachbauen. Danach stimulieren wir die Zellen elektrisch über sogenannte Multielektrodenarrays. Das sind winzig kleine Metallelektroden, die so klein sind, dass man sie mit dem freien Auge nicht einmal erkennen kann. Dadurch können wir sehr gezielt einzelne Bereiche stimulieren und gleichzeitig messen, wie die Zellen darauf reagieren.
Das machen wir deshalb, weil Nervenzellen über elektrische Impulse miteinander kommunizieren und wir schauen möchten, wie sie auf von uns ausgesuchte und kontrollierte Anweisungen reagieren. Wir schauen uns dabei die vielen verschiedenen Zelltypen, von denen ich dir früher erzählt habe, einzeln an, wollen aber auch ein gesamtes Bild erstellen, wie sie gemeinsam versuchen mit der Verletzung umzugehen. Das Interessante ist nämlich, dass viele der unterschiedlichen Abläufe nach der Verletzung stark miteinander verknüpft sind und Veränderungen in der Zellstruktur, ein Anstieg von verschiedenen biologischen Markern und Veränderungen der elektrischen Aktivität nicht unabhängig voneinander, sondern gemeinsam auftreten. Deshalb sind diese Vorgänge so komplex und es macht es uns schwer, die Erholung nach einem Trauma mit einzelnen Messungen vollständig zu verstehen. Wir messen also bei jedem Schritt, den wir im Labor setzen, an sehr vielen unterschiedlichen Stellen und sehr genau die Reaktion der Zellen in der Petrischale. Dazu gehören die elektrischen Messungen mit unseren Multielektrodenarrays, mikroskopische Bilder der Zellen, die zeigen, wie sich ihre Form und ihre Verbindungen verändern, sowie verschiedene biologische Marker, die Auskunft über den Stress, den Zustand und die Aktivität der Zellen geben.
So generieren wir eine Riesenmenge an Daten, die gemeinsam ein umfassendes, aber auch für uns Menschen unübersichtliches Bild der Vorgänge bilden. An dieser Stelle kommen unsere computergestützten Werkzeuge ins Spiel. Wir nutzen künstliche Intelligenz oder kurz KI, um diese Datenmengen auszuwerten. Unsere Modelle helfen uns Muster zu erkennen, die uns Menschen vermutlich verborgen blieben. Wir entwickeln KI-Modelle für eine sogenannte multimodale Analyse, also für unsere vielen verschiedenen Arten von Messergebnissen. Wir wollen untersuchen, wie die Form und die elektrische Funktion der Zellen und die biologischen Biomarker zusammenhängen. Also zum Beispiel wie das, was wir in mikroskopischen Bild sehen, mit dem zusammenhängt, was wir elektrisch messen. So wollen wir verstehen, wie diese verschiedenen Ebenen zusammenwirken.
Ein wichtiges Ziel dabei ist das, früh Veränderungen zu erkennen, die darauf hinweisen, ob sich die Netzwerke, die unsere Nervenzellen gebildet haben, gut erholen oder ob sich Probleme frühzeitig abzeichnen. So können wir untersuchen, ob und wann elektrische Stimulation sinnvoll ist, wie oft und wie stark elektrisch stimuliert werden muss und wie Nervenzellkulturen auf unterschiedliche Behandlungsansätze reagieren. Langfristig hilft uns das, besser zu verstehen, warum manche Ansätze funktionieren und andere nicht.
Unser Ziel ist es, aus dem Labor heraus so schlimme Verletzungen wie Schädelhirntraumata besser verstehen zu können, ein umfassendes Gesamtbild zu bauen und so die Behandlung gezielter und besser möglich zu machen. Wir möchten früh Veränderungen im menschlichen Gehirn erkennen, die uns zeigen, ob es sich gut erholt oder es zu Problemen kommt. So können wir dann Empfehlungen abgeben, ob und wann eine Therapie mit elektrischer Stimulation sinnvoll ist.
Wir wollen, dass Menschen nach einer Gehirnverletzung schnelle und zielgerichtete Hilfe bekommen. Genau das bereiten wir hier im Labor vor.
