Forscher der Cornell University und ihre Kooperationspartner haben ein neuronales Implantat entwickelt, das so klein ist, dass es auf einem Salzkorn Platz findet, und dennoch über ein Jahr lang drahtlos Daten zur Gehirnaktivität eines lebenden Tieres übertragen kann. Dieser Durchbruch zeigt, dass mikroelektronische Systeme in einer bisher unerreichten Größenordnung funktionieren können, was neue Möglichkeiten für die neuronale Überwachung, biointegrierte Sensorik und andere Anwendungen eröffnet.
Die Entwicklung des Geräts, das als mikroskalige optoelektronische kabellose Elektrode oder MOTE bezeichnet wird, wurde gemeinsam von Alyosha Molnar, Ilda- und Charles-Lee-Professor an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, und Sunwoo Lee, Assistenzprofessor an der Nanyang Technological University, geleitet, der als Postdoktorand in Molnars Labor erstmals an dieser Technologie arbeitete.
Angetrieben von roten und infraroten Laserstrahlen, die das Gehirngewebe unbeschadet durchdringen, überträgt die MOTE Daten mithilfe winziger Infrarotlichtimpulse, die die elektrischen Signale des Gehirns codieren. Eine Halbleiterdiode aus Aluminiumgalliumarsenid fängt die Lichtenergie ein, um den Schaltkreis mit Strom zu versorgen, und sendet Licht aus, um die Daten zu übertragen. Unterstützt wird dies durch einen rauscharmen Verstärker und einen optischen Encoder, die mit derselben Halbleitertechnologie hergestellt wurden, die auch in alltäglichen Mikrochips zum Einsatz kommt.
Das MOTE ist etwa 300 μm lang und 70 μm breit. „Soweit wir wissen, ist dies das kleinste neuronale Implantat, das die elektrische Aktivität im Gehirn misst und dann drahtlos weiterleitet“, sagte Molnar. „Durch die Verwendung von Pulspositionsmodulation für den Code – derselbe Code, der beispielsweise in der optischen Kommunikation für Satelliten verwendet wird – können wir mit sehr, sehr wenig Energie kommunizieren und dennoch die Daten erfolgreich optisch zurückholen.“
Langzeitversuche zeigen stabile und gewebeschonende Signalübertragung
Die Forscher testeten das MOTE zunächst in Zellkulturen und implantierten es dann in den Barrel-Cortex von Mäusen, der Gehirnregion, die sensorische Informationen von den Schnurrhaaren verarbeitet. Im Laufe eines Jahres zeichnete das Implantat erfolgreich elektrische Aktivitätsspitzen von Neuronen sowie umfassendere Muster synaptischer Aktivität auf – während die Mäuse gesund und aktiv blieben.
„Einer der Gründe dafür ist, dass herkömmliche Elektroden und Glasfasern das Gehirn reizen können“, sagte Molnar. „Das Gewebe bewegt sich um das Implantat herum und kann eine Immunreaktion auslösen. Unser Ziel war es, das Gerät so klein zu machen, dass diese Störung minimiert wird, während es gleichzeitig die Gehirnaktivität schneller als Bildgebungssysteme erfasst, ohne dass die Neuronen für die Bildgebung genetisch verändert werden müssen.“
Molnar sagte, dass die Materialzusammensetzung des MOTE es ermöglichen könnte, während MRT-Untersuchungen elektrische Signale aus dem Gehirn aufzuzeichnen, was mit aktuellen Implantaten weitgehend nicht möglich ist. Die Technologie könnte auch für die Verwendung in anderen Geweben, wie beispielsweise dem Rückenmark, angepasst und sogar mit zukünftigen Entwicklungen wie in künstliche Schädelplatten eingebetteter Optoelektronik kombiniert werden.
Von der frühen Idee zur interdisziplinären Entwicklung
Molnar hatte die Idee für das MOTE erstmals im Jahr 2001, aber die Forschung kam erst richtig in Gang, als er vor etwa 10 Jahren begann, die Idee mit Mitgliedern von Cornell Neurotech zu diskutieren, einer gemeinsamen Initiative des College of Arts and Sciences und Cornell Engineering. Mitautoren der Veröffentlichung sind Chris Xu, Direktor der School of Applied and Engineering Physics; Paul McEuen, John A. Newman Professor Emeritus am Department of Physics (A&S); Jesse Goldberg, Dr. David Merksamer und Dorothy Joslovitz Merksamer Professor für Biowissenschaften am Department of Neurobiology and Behavior (A&S); und Jan Lammerding, Professor an der Meinig School of Biomedical Engineering.
Die Forschung wurde teilweise vom National Institutes of Health unterstützt. Die Fertigungsarbeiten wurden teilweise in der Cornell NanoScale Facility durchgeführt, die von der National Science Foundation unterstützt wird.
