Forscher demonstrieren flexible Gehirn-Schnittstellen

Ein neues Projekt, das von einem Team von Forschern geleitet wird, hat gezeigt, wie eine ultradünne, flexible neurale Schnittstelle in das Gehirn implantiert werden kann. Die Schnittstelle besteht aus Tausenden von Elektroden und kann über sechs Jahre halten.

Die Ergebnisse wurden letzten Monat in der Zeitschrift Science Translational Medicine veröffentlicht. Das Team der Forscher umfasst Jonathan Viventi, einen Assistant Professor für Biomedizinische Ingenieurwissenschaften an der Duke University; John Rogers, den Louis Simpson und Kimberly Querrey Professor of Materials Science and Engineering, Biomedical Engineering und Neurological Surgery an der Northwestern University; und Bijan Pesaran, einen Professor für Neurowissenschaften an der NYU.

Herausforderungen im Umgang mit Sensoren im Gehirn

Viventi sprach über die Schwierigkeit, Sensoren im Gehirn zum Funktionieren zu bringen.

“Es ist wie das Werfen eines faltbaren, flexiblen Smartphones in den Ozean und das Erwarten, dass es 70 Jahre lang funktioniert”, sagte Viventi. “Außer dass wir Geräte herstellen, die viel dünner und flexibler sind als die derzeit auf dem Markt erhältlichen Telefone. Das ist die Herausforderung.”

Es gibt viele schwierige Herausforderungen, wenn es darum geht, fremde Objekte in das Gehirn einzuführen. Sie müssen in der Lage sein, in einer korrosiven, salzigen Umgebung zu existieren, und umliegende Gewebe und das Immunsystem greifen das Objekt an.

Die Schwierigkeit wird noch größer, wenn man über elektrische Geräte spricht. Die meisten langfristig implantierten Geräte sind mit Laser geschweißten Titan-Gehäusen abgedichtet.

“Das Bauen wasserdichter, massiver Gehäuse für solche Arten von Implantaten stellt eine Ebene der ingenieurtechnischen Herausforderung dar”, sagte Rogers. “Wir berichten hier über die erfolgreiche Entwicklung von Materialien, die ähnliche Isolationsniveaus bieten, aber mit dünnen, flexiblen Membranen, die einhundert Mal dünner sind als ein Blatt Papier.”

Aufgrund der Anordnung des menschlichen Gehirns sind Raum und Flexibilität extrem wichtig. Das menschliche Gehirn besteht aus Zehnbillionen Neuronen, aber bestehende neurale Schnittstellen können nur etwa hundert Stellen abtasten. Diese spezifische Herausforderung hat das Team der Forscher dazu geführt, neue Ansätze zu entwickeln.

“Man muss die Elektronik zu den Sensoren selbst verlagern und lokale Intelligenz entwickeln, die mehrere eingehende Signale verarbeiten kann”, sagte Viventi. “So funktionieren digitale Kameras. Man kann Zehnmillionen Pixel haben, ohne Zehnmillionen Kabel zu benötigen, weil viele Pixel die gleichen Datenkanäle teilen.”

Die Forscher konnten flexible neurale Geräte entwickeln, die 25 Mikrometer dick sind und aus 360 Elektroden bestehen.

“Wir haben vorher verschiedene Strategien ausprobiert. Die Ablagerung von Polymeren, die so dünn wie erforderlich waren, führte zu Defekten, die sie zum Versagen brachten, und dickere Polymere hatten nicht die erforderliche Flexibilität”, sagte Viventi. “Aber wir haben schließlich eine Strategie gefunden, die alle anderen überdauert, und haben es jetzt im Gehirn zum Funktionieren gebracht.”

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Schicht aus Siliziumdioxid

Die Studie zeigt, wie eine Schicht aus Siliziumdioxid, die weniger als ein Mikrometer dick ist und thermisch gewachsen ist, dazu beitragen kann, die Umgebung im Gehirn zu zähmen. Die Rate der Degradation beträgt 0,46 Nanometer pro Tag, aber die kleinen Mengen können sich im Körper auflösen, ohne Probleme zu verursachen.

Die Forscher demonstrierten auch, wie die Elektroden im Gerät kapazitives Sensing verwenden können, um neurale Aktivität zu erkennen.

Die neuen Entwicklungen sind nur einer der ersten Schritte, um diese Technologie voranzutreiben. Das Team arbeitet derzeit daran, das Prototyp von 1.000 Elektroden auf über 65.000 zu erhöhen.

“Eines unserer Ziele ist es, eine neue Art von visuellem Prothesen zu schaffen, die direkt mit dem Gehirn interagiert und die zumindest einige Sehfähigkeiten für Menschen mit geschädigten Sehnerven wiederherstellen kann”, sagte Viventi. “Aber wir können diese Arten von Geräten auch verwenden, um andere Arten von Prothesen zu steuern oder in einer Vielzahl von Neurowissenschafts-Forschungsprojekten.”