Heutige Gehirnimplantate sind sperrig und können normalerweise nur neuronale Aktivität von einem oder zwei Orten aus registrieren. Nun haben die Forscher an Mäusen gezeigt, dass sich über ein Netzwerk winziger „Neurogranula“ drahtlos Neuronen an mehreren Stellen registrieren und stimulieren lassen.
Forscher experimentieren seit Jahrzehnten Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCI) in der Lage, Neuronengruppen zu registrieren und zu stimulieren. In den letzten Jahren wächst jedoch das Interesse, sie zur Behandlung von Krankheiten wie Epilepsie, Parkinson oder verschiedenen psychiatrischen Erkrankungen einzusetzen.
Einige glauben, dass sie bald auch gesunden Menschen implantiert werden könnten, um ihnen zu helfen, die Gehirnfunktion zu überwachen und sogar zu steigern. Letztes Jahr behauptete Elon Musk, dass die von seinem Startup gebauten Gehirnimplantate Neuralink eines Tages werden sie wie "ein Fitbit im Schädel" sein. Aber zuerst, füge ich hinzu, müssen sie viel präziser und weniger aufdringlich werden.
Großer Fortschritt
Neue Forschung von einem Team aus Brown University hat mit der Entwicklung winziger Implantate von weniger als 0,1 Kubikmillimetern große Fortschritte bei letzterem Problem gemacht. Implantate können neuronale Aktivität sowohl registrieren als auch stimulieren. Diese „Neurogranulate“ können zu einem Netzwerk von Systemen kombiniert werden, die drahtlos gesteuert und mit Strom versorgt werden können.
„Eine der großen Herausforderungen im Bereich der Gehirn-Computer-Schnittstellen besteht darin, Wege zu finden, so viele Punkte im Gehirn wie möglich zu untersuchen“, sagt er in einer Pressemitteilung Arto Nurmikko, der die Forschung leitete. „Bisher waren die meisten BCIs monolithische Geräte, ein bisschen wie kleine Nadelmatten. Die Idee unseres Teams ist es, diesen Monolithen in winzige Sensoren zu zerlegen, die über die Großhirnrinde verteilt werden können."
So funktioniert der neue Ansatz
Jeder der winzigen Chips ist mit Elektroden ausgestattet, um elektrische Signale aus dem Gehirngewebe aufzunehmen, Schaltungen zur Verstärkung des Signals und einer winzigen Drahtspule, die drahtlose Signale sendet und empfängt. Die Chips werden an der Oberfläche des Gehirns befestigt, und eine dünne Relaisspule, die die drahtlose Energieübertragung zu den Neurotransmittern verbessert, wird über dem Bereich platziert, in dem sie platziert sind.
Ein dünnes Pflaster mit einer weiteren Spule wird dann an der Außenseite der Kopfhaut über der Relaisspule angebracht. Funktioniert als Mini-Tower für Mobiltelefone, unter Verwendung eines speziell entwickelten Netzwerkprotokolls, um sich individuell mit jedem der Neurogranula zu verbinden. Es überträgt auch drahtlose Energie an die Neurogranula, damit sie funktionieren.
Das Studium der neuronalen Aktivität
In einem Artikel in Nature Electronics, zeigte das Team, dass sie 48 der winzigen Chips in das Gehirn einer Maus implantieren können. Er benutzte sie dann, um die neurale Aktivität aufzuzeichnen und zu stimulieren. Obwohl beide Fähigkeiten letztendlich in einem Gerät integriert werden, wurden für die Zwecke der Studie einige Neurogranulate für die Aufzeichnung entwickelt, während andere für die Stimulation entwickelt wurden.
Die Forscher sagen, dass die Genauigkeit der Aufzeichnungen noch verbesserungswürdig ist, aber sie konnten spontane Gehirnsignale sammeln und erkennen, wann das Gehirn mit einem herkömmlichen Implantat stimuliert wurde. Sie zeigten auch, dass sie ein einzelnes Neurogranulat steuern konnten, um die neuronale Aktivität zu stimulieren, was sie mit herkömmlichen Aufzeichnungsgeräten nachweisen konnten.
Das Team gibt an, dass seine aktuelle Konfiguration könnte bis zu 770 Neurogranula unterstützen, aber sie planen, das System auf Tausende von Neurogranulaten zu skalieren. Mit weiterer Miniaturisierung wird es möglich sein. Das Chipdesign sollte den Herstellungsprozess durchlaufen bei 65 Nanometern, die es derzeit bei einem bei 22 Nanometern verwendet.
