Brain-Computer-Interfaces (BCIs) sind aufkommende Hilfsmittel, die eines Tages Menschen mit Hirn- oder Wirbelsäulenverletzungen dabei helfen könnten, sich zu bewegen oder zu kommunizieren. BCI-Systeme sind auf implantierbare Sensoren angewiesen, die elektrische Signale im Gehirn aufzeichnen und diese Signale verwenden, um externe Geräte wie Computer oder Roboterprothesen anzusteuern.
Die meisten aktuellen BCI-Systeme verwenden einen oder zwei Sensoren, um bis zu ein paar hundert Neuronen abzutasten, aber Neurowissenschaftler sind an Systemen interessiert, die in der Lage sind, Daten von viel größeren Gruppen von Gehirnzellen zu sammeln.
Jetzt hat ein Forscherteam einen entscheidenden Schritt in Richtung eines neuen Konzepts für ein zukünftiges BCI-System getan – eines, das ein koordiniertes Netzwerk unabhängiger, drahtloser neuronaler Sensoren im Mikromaßstab einsetzt, von denen jeder etwa die Größe eines Salzkorns hat, um das Gehirn aufzuzeichnen und zu stimulieren Aktivität. Die als „Neurogen“ bezeichneten Sensoren zeichnen selbstständig die elektrischen Impulse auf, die durch das Abfeuern von Neuronen erzeugt werden, und senden die Signale drahtlos an einen zentralen Hub, der die Signale koordiniert und verarbeitet.
Die Ergebnisse, so die Forscher, seien ein Schritt in Richtung eines Systems, das eines Tages die Aufzeichnung von Gehirnsignalen in noch nie dagewesener Detailgenauigkeit ermöglichen könnte, was zu neuen Erkenntnissen über die Funktionsweise des Gehirns und zu neuen Therapien für Menschen mit Hirn- oder Wirbelsäulenverletzungen führen könnte.
Eine der großen Herausforderungen im Bereich der Gehirn-Computer-Schnittstellen besteht darin, Möglichkeiten zu entwickeln, um möglichst viele Punkte im Gehirn zu untersuchen. Bisher waren die meisten BCIs monolithische Geräte – ein bisschen wie kleine Nadelbetten. Die Idee unseres Teams war es, diesen Monolithen in winzige Sensoren aufzuteilen, die über die Großhirnrinde verteilt werden können. Das konnten wir hier demonstrieren.
Das Team, zu dem Experten von Brown, der Baylor University, der University of California in San Diego und Qualcomm gehören, begann vor etwa vier Jahren mit der Entwicklung des Systems. Der erste Teil erforderte die Verkleinerung der komplexen Elektronik, die für die Erkennung, Verstärkung und Übertragung von neuronalen Signalen in die winzigen Silizium-Neurograin-Chips erforderlich ist. Das Team entwarf und simulierte zunächst die Elektronik auf einem Computer und durchlief mehrere Herstellungsiterationen, um funktionsfähige Chips zu entwickeln.
Die zweite Herausforderung bestand darin, den körper-externen Kommunikationsknoten zu entwickeln, der Signale von diesen winzigen Chips empfängt. Das Gerät ist ein dünner Fleck, etwa so groß wie ein Daumenabdruck, der außerhalb des Schädels an der Kopfhaut befestigt wird. Es funktioniert wie ein Miniatur-Mobiltelefonturm und verwendet ein Netzwerkprotokoll, um die Signale der Neurograins zu koordinieren, von denen jedes seine eigene Netzwerkadresse hat. Das Pflaster versorgt auch die Neurograins drahtlos mit Strom, die so konzipiert sind, dass sie mit minimalem Strom arbeiten.
Das Ziel dieser neuen Studie war zu zeigen, dass das System neuronale Signale eines lebenden Gehirns aufzeichnen kann – in diesem Fall des Gehirns eines Nagetiers. Das Team platzierte 48 Neurokörner auf der Großhirnrinde des Tieres, der äußeren Schicht des Gehirns, und zeichnete erfolgreich charakteristische neuronale Signale auf, die mit spontaner Gehirnaktivität verbunden sind.
Das Team testete auch die Fähigkeit der Geräte, das Gehirn zu stimulieren und davon aufzuzeichnen. Die Stimulation erfolgt mit winzigen elektrischen Impulsen, die die neurale Aktivität aktivieren können. Die Stimulation wird von demselben Hub angetrieben, der die neuronalen Aufzeichnungen koordiniert und eines Tages die durch Krankheit oder Verletzung verloren gegangene Gehirnfunktion wiederherstellen könnte, hoffen die Forscher.
Die Größe des Gehirns des Tieres beschränkte das Team für diese Studie auf 48 Neurokörner, aber die Daten deuten darauf hin, dass die aktuelle Konfiguration des Systems bis zu 770 unterstützen könnte derzeit unerreichbares Bild der Hirnaktivität.
Es war ein anspruchsvolles Unterfangen, da das System gleichzeitige drahtlose Energieübertragung und Vernetzung mit einer Megabit-pro-Sekunde-Rate erfordert, und dies muss unter extrem engen Siliziumflächen- und Leistungsbeschränkungen erreicht werden.
Es gibt noch viel zu tun, um das zu vervollständigen System Realität, aber die Forscher sagten, dass diese Studie einen wichtigen Schritt in diese Richtung darstellt.
Das Forscherteam hofft, am Ende ein System entwickeln zu können, das neue wissenschaftliche Erkenntnisse über das Gehirn und neue Therapien liefert, die Menschen mit verheerenden Verletzungen helfen können.
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