Schädelimplantate in der Hirnforschung

Präsentation zum Thema: "Schädelimplantate in der Hirnforschung"—  Präsentation transkript:

1 Schädelimplantate in der Hirnforschung
Cihan Ipek Axel Klug

2 MPI für biologische Kybernetik
Wahrnehmung, Kognition, Handlung Physiologie kognitiver Prozesse Empirische Inferenz Hochfeld Magnetresonanz Wahrnehmung, Kognition, Handlung: Untersuchung der Wahrnehmung und kognitiven Leistungen des Menschen mit Methoden Methoden aus der Psychophysik, Computersimulationen und virtuelle Welten. Psychophysik: beschäftigt sich mit den Zusammenhängen zwischen physikalischen Reizen und den Empfindungen, die sie beim Menschen auslösen. Die Verwendung von Computersimulationen und realitätsnahen virtuellen Umgebungen ermöglicht es dabei, die Experimente mit exakt kontrollierbaren Reizen durchzuführen. Physiologie kognitiver Prozesse: Verständnis der neuronalen Grundlage, welche der bewussten Wahrnehmung zugrunde liegt Verwendung auditorischer und visueller Modellanordnungen -> an welchen Stellen werden sensorische Objekte im Gehirn kodiert, wie sie sich in neuronaler Aktivität widerspiegeln und wie sich dieser Vorgang durch Lernvorgänge verändert Hilfsmittel: intrakortikaler Aufzeichnung, optischer Bildgebung und hochauflösender funktioneller Magnetresonanzspektroskopie (fMRI) Empirische Inferenz: Abteilung untersucht die statistische Lerntheorie und ihre Anwendungen Entwicklung von neuen Algorithmen des maschinellen Lernens Untersuchung und Modellierung von Wahrnehmungsleistungen wie sie von existierenden visuellen Systemen erbracht werden Anwendung von Lernalgorithmen auf vielfältige Probleme vom Computersehen bis hin zur Bioinformatik Hochfeld Magnetresonanz: methodischen Erweiterung und Anwendung der Bildgebenden Verfahren Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung

3 Schädelimplantate in der Hirnforschung
Inhalt Technik bis 1996 Titan-Implantate Kunststoff-Implantate Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung

4 Funktion von Implantaten
Unterschieden werden: - Kopfhalter zum Fixieren der Tiere - Ableitkammern Verschließbarer Zugang zum Gehirn Kopfhalter kann zusätzlich Augenspulenanschluss haben Weitere Anwendung: Gehäuse für Spulen Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung

5 Schädelimplantate in der Hirnforschung
Stand 1996 Kopfhalter bestehen aus Stahlbolzen mit Querstangen und Bohrungen Ableitkammern sind angeschrägte Rohrstücke mit Nuten in der Außenwand Befestigung durch Knochenzement auf dem Schädel Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung

6 Schädelimplantate in der Hirnforschung
Neuer Ansatz Integration des Implantates in den Knochen, erreicht durch: - Dünne Schraubenbeinchen geringer Höhe - Verwendung von speziellen Knochenschrauben - An den jeweiligen Schädel angepasste Form - Hydroxyl-Apatit (HA)-Beschichtung, die das Knochenwachstum fördert. Knochenschrauben in Keramik: Gemeinsam mit Fa. Pfannenstiel entwickelt, Gewindeform: Radius, zum besseren Einwachsen in den Knochen Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung

7 Anforderungen an Implantate
Soll das Implantat im MRT verwendet werden Ist das Tier beim Experiment wach oder anästhesiert Welcher Gehirnbereich soll erreicht werden Größe des Gehirnbereichs Welcher Elektrodenvorschub wird in die Ableitkammer ein-/aufgebaut Soll mit Optik ein Zugang zum Gehirn erstellt werden Waches Tier: Implantat muss stabiler sein (Bei 1-Punkt-Kopfhalter Verdrehsicherung) Gehirnbereich: 1-Punkt- oder Dreipunkt-Kopfhalter Größe Gehirnbereich: D12, D18, D22 Kammerinnendurchmesser Manueller Vorschub (MRT) Motorisiert: Flexible Shaft, Neuralynx-Vorschub (Feld mit vielen Elektroden) Optischer Zugang: 2-Photonen-Mikroskop Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung

8 Schädelimplantate in der Hirnforschung
Titan-Implantate Kopfhalter Ableitkammer Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung

9 Verwendung von Titan-Implantaten
Elektrophysiologie - Im abgeschirmten Raum - Fixierung des Tieres - Einbringen von Elektroden in die Ableitkammer - Visuelle und akustische Stimulierung - Durch Abschirmung sind Messungen an der Zelle im µV-Bereich möglich Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung

10 Kunststoff-Implantate
Kopfhalter für wache Tiere Kopfhalter für anästhesierte Tiere Ableitkammer Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung

11 Verwendung von Kunststoff-Implantaten
Kernspintomographie - Fixierung des Tieres - Einbringen von Elektroden in die Ableitkammer - Anschluss und Gehäuse von Spulen, um Gehirnbereiche anzuregen Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung

12 Schädelimplantate in der Hirnforschung
Herstellung Basis: MRT-Scan des Schädels Konstruktion mit CATIA V5 Fertigungsvorbereitung mit CATIA-CAM Fertigung: 5-Achs-Bearbeitungszentrum Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung

13 Herstellung von Titan-Implantaten
Kopfhalter werden „flach“ gefräst und dann einem Schädelmodell angepasst Bei Ableitkammern wird die Schädelform direkt gefräst. Werkstoff: Titan-Legierung (Ti6Al4V ELI) Ti6Al4V: Verwendung in der Medizin, Luft- und Raumfahrt Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung

14 Herstellung von Kunststoff-Implantaten
Jede Implantatform wird individuell gefräst Werkstoff: PEEK Optima Hochtemperaturbeständiger Thermoplast, im Reinraum gefertigt, medizinische Zulassung Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung

15 Kunststoff-Implantate und HA-Beschichtung
Bis 2008: Keine Beschichtung, teilweise ungenügendes Verwachsen mit dem Schädelknochen Versuche, PEEK Optima mit HA zu Beschichten bleiben erfolglos, der Kunststoff erweicht Abhilfe: Schutzschicht aus Tantal als PVD-Beschichtung Aufbringung der HA-Beschichtung auf Ta-Schutzschicht HA-Beschichtung im Vacuum-Plasma-Spraying (VPS)-Verfahren PEEK erweicht, HA springt weg von der Oberfläche Ta-Schutzschicht 500 µm, in Kooperation mit MPI für Metallforschung Stuttgart im Physical-Vapour-Deposition-(PVD)-Verfahren/Physikalische Gasphasenabscheidung HA-Schicht haftet Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung

16 Schädelimplantate in der Hirnforschung
Zukunft Reduktion des Implantat-Bedarfs durch - neue Fixierungsmöglichkeiten - generische Ableitungskammern Fixierungsmöglichkeiten: Helm Ableitungskammern: Keine formspezifischen Implantate Besser trainierte Tiere In gewissen Grenzen sind Störungen(Bewegungen) mit Software herauszurechnen Hierfür benötigt man weitere Sensoren im Versuchsaufbau Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung