Winziges Hirnimplantat zeichnet neuronale Signale ein Jahr lang auf

Ein Körnchen, das das Gehirn liest

Ein neuronales Implantat, so klein, dass es auf einem Salzkorn Platz findet, hat drahtlos Daten zur Gehirnaktivität von lebenden Mäusen über mehr als ein Jahr übertragen – eine Leistung, die die Art und Weise, wie Wissenschaftler neurologische Erkrankungen untersuchen und behandeln, verändern könnte. Das Gerät, bekannt als MOTE (mikroskalige optoelektronische kabellose Elektrode), misst nur 300 Mikrometer in der Länge und 70 Mikrometer in der Breite. Wie New Atlas es ausdrückt, passen mehr als 4,78 Millionen davon in einen Teelöffel.

Wie es funktioniert

Im Gegensatz zu herkömmlichen Hirnimplantaten, die auf Drähten oder sperriger Hardware basieren, wird der MOTE vollständig mit Licht betrieben. Rote und infrarote Laserstrahlen dringen harmlos durch das Hirngewebe, um eine Aluminium-Gallium-Arsenid-Halbleiterdiode mit Energie zu versorgen, die gleichzeitig Energie aufnimmt und Infrarotimpulse aussendet, die kodierte neuronale Signale tragen. Die Kodierungsmethode – Pulspositionsmodulation – ist die gleiche Technik, die in der optischen Satellitenkommunikation verwendet wird.

"Die wichtigste Innovation ist die Verwendung einer einzigen Verbindungshalbleiterdiode sowohl für die Energiegewinnung als auch für die Datenübertragung", erklärte Alyosha Molnar, Professor für Elektrotechnik und Computertechnik an der Cornell University, der die Idee erstmals im Jahr 2001 hatte. Das Gerät enthält außerdem einen rauscharmen Verstärker und einen optischen Encoder, die aus Standard-Mikrochip-Technologie gefertigt sind, alles verpackt in einem Sub-Nanoliter-Volumen.

Ein Jahr sauberer Daten

Forscher implantierten den MOTE in den Barrel-Kortex von Mäusen – den Hirnbereich, der sensorische Informationen der Schnurrhaare verarbeitet. Über zwölf Monate zeichnete das Gerät sowohl schnelle elektrische Spikes von einzelnen Neuronen als auch breitere Muster synaptischer Aktivität auf, während die Tiere gesund und frei beweglich blieben.

Diese Langlebigkeit ist wichtig. Traditionelle Elektroden und optische Fasern reizen das umliegende Gewebe und lösen Immunreaktionen aus, die die Signalqualität im Laufe der Zeit beeinträchtigen. Die extreme Miniaturisierung des MOTE reduziert dieses Problem drastisch, und im Gegensatz zu Calcium-Imaging-Ansätzen erfasst er elektrische Daten, ohne dass eine genetische Modifikation von Neuronen erforderlich ist.

MRT-Kompatibilität und darüber hinaus

Der vielleicht klinisch bedeutendste Vorteil ist die potenzielle Kompatibilität des Implantats mit MRT-Scannern. Aktuelle metallische Implantate verzerren Magnetresonanzbilder und können in MRT-Geräten Sicherheitsrisiken darstellen. Die Halbleitermaterialien des MOTE könnten gleichzeitige elektrische Hirnaufzeichnungen und MRT-Scans ermöglichen – eine Kombination, die laut der Cornell Chronicle "mit aktuellen Implantaten weitgehend nicht möglich ist".

Das Forschungsteam unter der Co-Leitung von Sunwoo Lee von der Nanyang Technological University – der die Technologie als Postdoktorand in Molnars Labor entwickelte – sieht zukünftige Anwendungen über das Gehirn hinaus. Angepasste Versionen könnten die Aktivität des Rückenmarks überwachen, sich in künstliche Schädelplatten mit Optoelektronik integrieren oder bei der Entwicklung von Therapien für Depressionen, Demenz und Parkinson-Krankheit helfen.

Eine neue Dimension für die Neurowissenschaften

Die Ergebnisse, die in Nature Electronics veröffentlicht wurden, kommen zu einem entscheidenden Zeitpunkt für Gehirn-Computer-Schnittstellen. Unternehmen wie Neuralink treiben kommerzielle neuronale Implantate voran, aber diese Geräte sind immer noch viel größer und erfordern die chirurgische Einführung von Elektrodenarrays. Der MOTE deutet auf einen radikal anderen Weg hin: Sensoren im unsichtbaren Bereich, die minimale Störungen verursachen und schließlich in großer Zahl im Gehirn eingesetzt werden könnten.

Die Forschung wurde durch Mittel der National Institutes of Health unterstützt, die Fertigung erfolgte in der Cornell NanoScale Facility. Während klinische Studien am Menschen noch in weiter Ferne liegen, zeigt die Technologie, dass die Zukunft der Hirnüberwachung möglicherweise keine größeren Geräte erfordert – sondern nur intelligentere, kleinere.