Der intelligente Chip, der Hirnimplantate revolutioniert
Das EU-finanzierte Projekt IoN(öffnet in neuem Fenster) hat einen bedeutenden Meilenstein bei der Entwicklung intrakortikaler Gehirn-Computer-Schnittstellen erreicht. Auf diese Weise kann eine der hartnäckigsten Herausforderungen in der Neurotechnologie angegangen werden: die drahtlose Übertragung großer Mengen neuronaler Daten aus miniaturisierten Implantaten. Die Errungenschaft wird in einem Paper(öffnet in neuem Fenster) der Fachzeitschrift „Nature“ vorgestellt. Angesichts der steigenden Nachfrage nach wirksamen Behandlungsmethoden für neurologische Störungen – die von Lähmungen bis hin zu sprachlichen Beeinträchtigungen reichen – haben sich hochdichte Mikroelektrodenanordnungen (Microelectrode Arrays, MEAs) als entscheidende Instrumente zur Erfassung neuronaler Aktivitäten mit herausragender Präzision etabliert. Die von diesen Arrays erzeugten umfangreichen Datenmengen, die bei Systemen mit 1.000 Kanälen 300 Mbit/s übersteigen können, stellen jedoch aufgrund von Einschränkungen hinsichtlich Stromversorgung, Bandbreite, Wärmeableitung und Gerätegröße eine Herausforderung für die drahtlose Telemetrie dar. Um diese Einschränkungen zu überwinden, hat das IoN-Konsortium eine neuartige zweistufige drahtlose Architektur entwickelt, in deren Mittelpunkt eine transdurale, galvanisch gekoppelte Körper-Kanal-Kommunikationsverbindung (Body Channel Communication, BCC) steht, die das körpereigene Gewebe als Leiter für die Datenübertragung ohne Funkwellen nutzt. Dieses System ermöglicht die Datenübertragung von einer freischwimmenden MEA, die unterhalb der Dura mater des Gehirns positioniert ist, zu einer intrakraniellen Empfängereinheit, die an einer Stelle einer minimalinvasiven Trepanationsloch-Kraniotomie verankert ist. Da sich physische Verbindungen zwischen der MEA und dem Telemetriemodul erübrigen, berücksichtigt das Design die natürlichen Bewegungen des Gehirns, sodass die durch Mikrobewegungen verursachten Gewebeschäden, Narbenbildung und Signalverschlechterung im Laufe der Zeit reduziert werden. Das transdurale BCC-Telemetriesystem zeigte in Validierungstests eine bemerkenswerte Leistung. Tests und Versuche an einem Leichenkopf bestätigten drahtlose Datenübertragungsraten von bis zu 500 Mbit/s, wobei das System aus Energiespargründen nur 20 % der Zeit in Betrieb war und weniger als ein Fehler pro 100.000 übertragene Bits auftrat. Die Validierung an Leichen wurde mit Unterstützung durch das medizinische Erasmus-Zentrum unterstützt.
Zehnfache Datenkompression ohne Signalverlust
Ein entscheidender Durchbruch ist ein intelligentes Komprimierungssystem, das wie ein Bewegungssensor für das Gehirn funktioniert. Es überträgt Daten nur, wenn Neuronen aktiv sind, und bleibt ansonsten inaktiv. „Dies bringt mehrere Vorteile mit sich: deutlich weniger (oftmals um eine Größenordnung reduzierte) Datenpunkte, einen deutlich geringeren Stromverbrauch und einen signifikant geringeren Bandbreitenbedarf – während alle Spitzen mit hoher Wiedergabetreue erfasst werden“, heißt es in einem Artikel Artikel(öffnet in neuem Fenster), der auf der Website von IoN-Projektkoordinator imec in den Niederlanden veröffentlicht wurde. Durch die mehr als zehnfache Reduzierung des Datenvolumens und die drastische Senkung der Wärmeentwicklung und des Stromverbrauchs bringt uns diese Technologie sichereren Langzeithirnimplantaten einen Schritt näher. Tests an „Gehirn auf einem Chip“-Modellen (Brain-on-a-Chip) bestätigten, dass das System keine unbeabsichtigte Gehirnaktivität auslöst, so dass seine Sicherheit für den langfristigen Einsatz bei Patientinnen und Patienten gewährleistet ist. Dieser Durchbruch markiert einen entscheidenden Fortschritt hin zu skalierbaren, energieeffizienten neuronalen Schnittstellen, die motorische, sensorische und kognitive Funktionen wiederherstellen können. Durch die Kombination von Miniaturisierung, hoher Bandbreite und strenger Sicherheitsvalidierung ebnet das Telemetriesystem des IoN-Projekts (Intranet of Neurons: A Minimally-invasive and High-capacity Transcranial Telemetry Network for Large-scale Brain-wide Neural Recordings) den Weg für zukünftige Anwendungen, die das Leben von Menschen mit neurologischen Störungen revolutionieren könnten. Weitere Informationen: IoN-Projektwebsite(öffnet in neuem Fenster)
