Wie gedruckte künstliche Neuronen mit echten Gehirnzellen kommunizieren

Die Kluft zwischen Elektronik und Biologie

Seit Jahrzehnten ist der Bau von Elektronik, die die Sprache des Gehirns spricht, eines der schwierigsten technischen Probleme der Neurowissenschaften. Konventionelle Siliziumchips arbeiten mit konstanten Spannungssignalen, aber biologische Neuronen kommunizieren durch schnelle, unregelmäßige elektrische Impulse. Die Überbrückung dieser Diskrepanz ist essenziell für Neuroprothesen – Geräte, die verlorenes Gehör, Sehvermögen oder Bewegung wiederherstellen, indem sie direkt mit dem Nervensystem verbunden werden. Eine neue Generation von gedruckten künstlichen Neuronen schließt diese Lücke.

Was sind künstliche Neuronen?

Ein künstliches Neuron ist ein elektronisches Gerät, das entwickelt wurde, um das Spike-Verhalten einer echten Nervenzelle nachzuahmen. In der Biologie akkumuliert ein Neuron elektrische Ladung, bis es eine Schwelle überschreitet, feuert dann einen kurzen Impuls ab und setzt sich zurück – ein Muster, das als Integrieren und Feuern bezeichnet wird. Künstliche Neuronen replizieren diesen Zyklus mithilfe spezialisierter Schaltungselemente anstelle von Ionenkanälen und Zellmembranen.

Die kritische Komponente in den neuesten Geräten ist ein Memristor – ein Widerstand mit Gedächtnis. Wenn Spannung angelegt wird, bildet sich im Inneren des Materials ein winziges leitfähiges Filament, das es dem Strom ermöglicht, in einem plötzlichen Ausbruch zu fließen, der einem biologischen Spike sehr ähnlich ist. Sobald das Filament bricht, setzt sich das Gerät zurück und der Zyklus kann von neuem beginnen. Durch die Abstimmung der Materialien und der Geometrie können die Forscher die Spike-Frequenz, -Amplitude und -Zeitsteuerung so anpassen, dass sie mit den Mustern übereinstimmen, die echte Neuronen erwarten.

Neuronen drucken wie Tinte auf Papier

Forscher der Northwestern University unter der Leitung des Materialwissenschaftlers Mark Hersam demonstrierten in einer Studie, die in Nature Nanotechnology veröffentlicht wurde, dass künstliche Neuronen mit einem Ansatz hergestellt werden können, der eher einem Tintenstrahldrucker als einer Halbleiterfabrik ähnelt. Das Team formulierte elektronische Tinten aus nanoskaligen Flocken von Molybdändisulfid (MoS₂), einem Halbleiter, und Graphen, einem elektrischen Leiter.

Mithilfe des Aerosol-Jet-Drucks werden die Tinten auf dünne, flexible Polymerfilme aufgebracht. Eine wichtige Innovation besteht darin, den Polymerstabilisator in der Tinte nur teilweise zu zersetzen, anstatt ihn vollständig zu entfernen. Wenn Strom durch das Gerät fließt, erfolgt eine weitere Zersetzung ungleichmäßig, wodurch die leitfähigen Filamente entstehen, die für das Spike-Verhalten unerlässlich sind. Die resultierenden Schaltungen können mit abstimmbaren Frequenzen von bis zu 20 kHz feuern und bleiben über eine Million Zyklen stabil.

Kommunikation mit lebendem Gewebe

Der eigentliche Durchbruch ist, was passiert, wenn diese gedruckten Neuronen auf biologische treffen. In Experimenten an Scheiben von Maus-Hirngewebe erzeugten die künstlichen Neuronen elektrische Spikes, die realistisch genug waren, um lebende Neuronen zu aktivieren und messbare Reaktionen in echten Gehirnzellen auszulösen. Dieses Maß an Biokompatibilität ist eine Voraussetzung für jedes Gerät, das für die Implantation bestimmt ist.

Traditionelle Gehirn-Maschine-Schnittstellen basieren auf starren Mikroelektroden-Arrays – winzigen Gittern aus Metallkontakten, die in den Schädel implantiert werden. Sie funktionieren, aber steife Materialien können mit der Zeit weiches Hirngewebe schädigen und Narbenbildung verursachen, die das Signal verschlechtert. Gedruckte Neuronen auf flexiblen Substraten könnten sich an die Oberfläche des Gehirns anpassen, wodurch Gewebeschäden reduziert und die Lebensdauer des Geräts verlängert wird.

Warum es für Neuroprothesen wichtig ist

Gehirn-Maschine-Schnittstellen ermöglichen bereits bemerkenswerte Leistungen. Klinische Studien haben gezeigt, dass implantierte Arrays Handschrift, Sprache und komplexe motorische Absichten aus der kortikalen Aktivität dekodieren können, sodass gelähmte Patienten tippen, über einen Synthesizer sprechen oder einen Roboterarm steuern können. Aber aktuelle Geräte sind teuer in der Herstellung, starr und erfordern invasive Operationen.

Gedruckte künstliche Neuronen beheben mehrere dieser Einschränkungen gleichzeitig:

• Kosten: Der Druck ist additiv – Material wird nur dort aufgebracht, wo es benötigt wird – wodurch Produktionsabfälle und -kosten im Vergleich zur Reinraum-Lithographie reduziert werden.
• Flexibilität: Polymersubstrate biegen sich mit dem Körper, wodurch die mechanische Fehlanpassung reduziert wird, die Gewebenarben verursacht.
• Skalierbarkeit: Derselbe Druckprozess könnte Geräte in großen Mengen produzieren, wodurch Neuroprothesen zugänglicher werden.

Herausforderungen der Zukunft

Gedruckte Neuronen, die auf Hirnschnitten in einem Labor funktionieren, sind noch nicht bereit für die Implantation beim Menschen. Langfristige Biokompatibilität, drahtlose Stromversorgung und Integration in die körpereigene Immunabwehr sind weiterhin offene technische Probleme. Die behördliche Zulassung für jedes implantierte neuronale Gerät erfordert ebenfalls jahrelange Sicherheitsprüfungen.

Dennoch stellt die Fähigkeit, flexible, kostengünstige Elektronik zu drucken, die wirklich mit biologischen Neuronen kommuniziert, einen bedeutenden Meilenstein dar. Wie die Forscher der Northwestern University feststellen, bringt dies das Feld einer Zukunft näher, in der die Reparatur eines beschädigten Nervensystems mit einem Gerät beginnen könnte, das auf einem Desktop-Drucker gebaut wurde.