Was wäre, wenn das nächste Gerät zum Senden von Nachrichten an Ihre Freunde nicht eine Uhr am Handgelenk oder ein Telefon in der Tasche wäre - sondern ein elektronisches Gerät, das in Ihr Gehirn eingebettet ist? Jetzt hat uns eine neue Art flexibler Schaltung dieser Zukunft der Science-Fiction einen Schritt näher gebracht. Ein paar Millimeter breites Drahtgitter, das per Injektion implantiert wird, kann lebende Neuronen anstechen und deren Klappern belauschen. Auf diese Weise kann die Elektronik eine Schnittstelle zu Ihrer Gehirnaktivität herstellen.
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"Wir versuchen, die Unterscheidung zwischen elektronischen und neuronalen Schaltkreisen zu verwischen", sagt Charles Lieber, Nanotechnologe an der Harvard University und Co-Autor einer Studie, die das Gerät diese Woche in Nature Nanotechnology beschreibt.
Bisher wurde die Technologie nur an lebenden Mäusen getestet. Aber Lieber hofft, es letztendlich mit Menschen zu verkabeln. Zu seinen Unterstützern gehört Fidelity Biosciences, ein Risikokapitalunternehmen, das an neuen Wegen zur Behandlung von neurodegenerativen Erkrankungen wie der Parkinson-Krankheit interessiert ist. Das Militär hat sich auch dafür interessiert und bietet Unterstützung durch das Cyborgcell-Programm der US-Luftwaffe, das sich auf kleine Elektronikgeräte zur „Leistungssteigerung“ von Zellen konzentriert.
Neuronale Elektronik ist für manche Menschen bereits Realität. Wer unter starkem Zittern oder unkontrollierbaren Muskelkrämpfen leidet, kann Erleichterung durch Elektroschocks finden, die von langen Drähten geliefert werden, die tief im Gehirn verlegt sind. Und Tetraplegiker haben gelernt, Prothesen mithilfe von Chips, die im Gehirn eingebettet sind, oder Elektroden, die auf der Oberfläche des Gehirns liegen, zu kontrollieren.
Diese Technologien können jedoch nur in schwerwiegenden Fällen eingesetzt werden, da sie invasive Verfahren erfordern. „Bisherige Geräte waren auf große Schnitte und Operationen angewiesen“, sagt Dae-Hyeong Kim, Nanotechnologe an der Seoul National University in Südkorea.
Was den neuen Ansatz anders macht, ist die außergewöhnliche Flexibilität der Schaltung. Die Schaltung besteht aus Metall- und Kunststoffsträngen, die wie ein Fischernetz miteinander verwoben sind, und ist „hunderttausendmal flexibler als andere implantierbare Elektronikgeräte“, sagt Lieber. Das Netz kann so aufgerollt werden, dass es leicht durch eine Spritzennadel geführt werden kann. Einmal im Körper, entfaltet sich das Netz von selbst und wird in das Gehirn eingebettet.
Autopsien von injizierten Mäusen ergaben, dass sich die Drähte im Laufe der Wochen in das Wirrwarr von Neuronen eingewebt hatten. Enge Verbindungen aus Kunststoff und Hirnsubstanz, die scheinbar wenig negativ wirken. Diese Kompatibilität ist möglicherweise darauf zurückzuführen, dass das Netz dreidimensionalen Gerüsten nachgebildet wurde, die von biomedizinischen Ingenieuren verwendet wurden, um Gewebe außerhalb des Körpers zu züchten.
Ein 3-D-Mikroskopbild zeigt das Netz, das in eine Region des Gehirns injiziert wurde, die als Seitenventrikel bezeichnet wird. (Forschungsgruppe Lieber, Harvard University) Die Aktivitäten der Neuronen könnten mithilfe von in den Schaltkreis eingebauten mikroskopischen Sensoren überwacht werden. Spannungsdetektoren nahmen Ströme auf, die durch das Feuern einzelner Gehirnzellen erzeugt wurden. Diese elektrischen Signale wurden über ein Kabel, das aus dem Kopf herausführte, an einen Computer weitergeleitet.
"Dies könnte den Verbrauchern einige Fortschritte bei der Entwicklung einer Gehirnschnittstelle bringen", sagt Jacob Robinson, der an der Rice University Technologien entwickelt, die mit dem Gehirn in Verbindung stehen. "Wenn Sie Ihren Computer an Ihr Gehirn anschließen, wird es viel schmackhafter, wenn Sie nur etwas injizieren müssen."
Für Neurowissenschaftler, die daran interessiert sind, wie Gehirnzellen kommunizieren, bietet dieses sensible Instrument Zugang zu Teilen des Nervensystems, die mit herkömmlichen Technologien nur schwer zu untersuchen sind. Zum Beispiel hat ein Kollege von Lieber vor drei Monaten einige seiner Netze in die Augen von Mäusen injiziert, in der Nähe von Nervenzellen, die visuelle Informationen von der Netzhaut sammeln. Um diese Zellen zu untersuchen, muss normalerweise ein Teil des Auges herausgeschnitten werden. Die von den injizierten Netzen gesammelten Signale sind bisher stark geblieben, und die Mäuse bleiben gesund.
Um jedoch für den Menschen nützlich zu sein, muss Liebers Team nachweisen, dass die Netze eine noch längere Lebensdauer haben. Bisherige neuronale Elektronik leidet unter Stabilitätsproblemen. Sie neigen dazu, mit der Zeit das Signal zu verlieren, wenn Zellen in der Nähe der starren Eindringlinge sterben oder abwandern. Das Team ist jedoch optimistisch, dass Liebers Netz sich als hirnfreundlicher erweisen wird, da sich die Zellen, die bisher auf das Netz treffen, zusammenzukuscheln scheinen und in seine Lücken hineinwachsen.
Das Mithören der Gehirnaktivität kann nur der Anfang sein - wie bei alltäglichen Schaltkreisen können verschiedene Komponenten für verschiedene Aufgaben hinzugefügt werden. In einem weiteren Experiment injizierte Liebers Team mit Drucksensoren ausgestattete Schaltkreise in Löcher in einem weichen Polymer. Beim Auspressen des Polymers haben die Sensoren die Druckänderungen in den Hohlräumen gemessen. Dies könnte nützlich sein, um Druckänderungen im Schädel zu untersuchen, wie sie beispielsweise nach einer traumatischen Kopfverletzung auftreten.
Weiter unten kann das Netz mit Rückkopplungsvorrichtungen übersät sein, die elektrische Stimulation abgeben oder Arzneimittelpakete für die medizinische Behandlung freigeben. Fügen Sie ein paar mikroskopisch kleine RFID-Antennen hinzu, und der Stromkreis könnte drahtlos werden. Und Science-Fiction-Fans sollten bei dem Gedanken, Speichergeräte zu installieren - ähnlich wie der Arbeitsspeicher in Computern -, neue Impulse setzen, um ihre eigenen Erinnerungen zu verbessern.
„Wir müssen laufen, bevor wir rennen können, aber wir glauben, dass wir unsere Fähigkeit, mit dem Gehirn in Kontakt zu treten, wirklich revolutionieren können“, sagt Lieber.
