Forscher demonstrieren flexible Hirn-Schnittstellen

Ein neues Projekt unter der Leitung eines Teams von Forschern 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 letztes Monat in der Zeitschrift Science Translational Medicine veröffentlicht. Das Team von Forschern umfasst Jonathan Viventi, Assistant Professor für Biomedizinische Ingenieurwissenschaften an der Duke University; John Rogers, Louis Simpson und Kimberly Querrey Professor für Materialwissenschaften, Biomedizinische Ingenieurwissenschaften und Neurochirurgie an der Northwestern University; und Bijan Pesaran, Professor für Neurowissenschaften an der NYU.

Herausforderungen im Umgang mit Sensoren im Gehirn

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

“Es ist, als ob man sein faltbares, flexibles Smartphone in den Ozean wirft und erwartet, dass es 70 Jahre lang funktioniert”, sagte Viventi. “Wir bauen jedoch Geräte, 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 die umgebenden Gewebe und das Immunsystem greifen das Objekt an.

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

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

Aufgrund der Anordnung des menschlichen Gehirns sind Platz 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 von Forschern 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 360 Elektroden haben.

“Wir haben verschiedene Strategien ausprobiert, bevor wir diese gefunden haben”, sagte Viventi. “Das Ablegen von Polymeren, die so dünn sind, wie erforderlich, führte zu Defekten, die dazu führten, dass sie versagten, und dickere Polymere hatten nicht die erforderliche Flexibilität. Aber wir haben schließlich eine Strategie gefunden, die alle anderen übertrifft, und haben es jetzt im Gehirn zum Laufen 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 innerhalb des Gehirns zu bändigen. Die Abbaurate 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 kapazitive Sensoren verwenden können, um neurale Aktivität zu erkennen.

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

“Eines unserer Ziele ist es, eine neue Art von visueller Prothese zu schaffen, die direkt mit dem Gehirn interagiert und mindestens einiges Sehvermögen für Menschen mit beschädigten optischen Nerven 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.”