Kohlenstoff-Mikrofaden erfasst Gehirnaktivitäten

Eine ultradünne Elektrode, die aus einer einzelnen Kohlenstofffaser besteht, kann die Aktivitäten in den Nervenzellen von Versuchstieren aufzeichnen.

Neurowissenschaftler, die das menschliche Gehirn mit Computerhardware verbinden wollen, haben nicht nur ein biologisches, sondern auch ein materialwissenschaftliches Problem: Welche Art von Elektrode ist filigran genug, damit sie die Nervenzellen nicht beschädigt, gleichzeitig aber ausreichend stabil, um über einen längeren Zeitraum im Denkapparat zu verbleiben?

Ein Forscherteam am Neural Engineering Lab der University of Michigan hat in Zusammenarbeit mit Kollegen an der University of Pittsburgh nun eine mögliche Lösung gefunden. Ihr sogenanntes Stealthy Neural Interface besteht aus einer einzelnen Kohlenstofffaser, die mit einem speziellen chemischen Überzug versehen ist, der sie an den richtigen Stellen leitfähig, aber gleichzeitig gegenüber den Proteinen im Gehirn unanfällig macht.

Die neue Mikrofaden-Elektrode soll die Signale einzelner Hirnzellen aufzeichnen könne und hat nur einen Durchmesser von sieben Mikrometern. Das wäre die bislang dünnste Hirnschnittstelle, die jemals entwickelt wurde – ungefähr hundertmal dünner als konventionelle Metallelektroden, die derzeit zur Untersuchung der Nervenzellenaktivität bei Versuchstieren eingesetzt werden. "Wir wollten sehen, ob wir die Implantattechnik radikal verändern können", sagt Takashi Kozai von der University of Pittsburgh, erster Autor der Mikrofaden-Studie. "Wir wollten eine Elektrode, die 70 Jahre durchhält."

Langlebige Elektroden sind auch deshalb notwendig, weil sie dabei helfen können, die gesamte Technik zu verbessern. Hirnschnittstellen, von denen es bereits Prototypen gibt, sollen es in wenigen Jahren gelähmten Menschen erlauben, Robotergliedmaßen oder einen Computer nur durch Gedanken zu bedienen. Die Elektroden erfassen dabei die Signale der Nervenzellen, um zu entschlüsseln, was im Gehirn passiert, wenn ein Querschnittsgelähmter beispielsweise daran denkt, seine Arme zu bewegen.

Andrew Schwartz, der an der University of Pittsburgh ebenfalls an Hirnschnittstellen arbeitet und Kozais Arbeit kennt, lobt das Verfahren. "Das ist eine schöne Demonstration, wie man diese Fasern isolieren und mit einer wirkungsvollen Aufzeichnungsoberfläche beschichten kann." Es gibt allerdings noch ein Problem: Es sei nicht einfach, die flexiblen Elektroden in das Gehirngewebe einzuführen und dort dann auch adäquat zu verankern. Tatsächlich kam es im Tierversuch vor, dass das Signal nach einiger Zeit verloren ging.

Grundsätzlich seien die dünnen Fasern aber eine gute Sache, weil sie vom Gehirn quasi "ignoriert" würden, meint Schwartz. Konventionelle Elektroden zeichnen nach wenigen Jahren nur noch schlecht auf, weil sich Narbengewebe um sie bildet. Um die Leistungsfähigkeit ihrer Elektrode zu verbessern, beschichteten die Forscher die Spitze deshalb mit einem Polymer, das dabei hilft, elektrische Signale zu detektieren.

Bei Experimenten mit menschlichen Versuchspersonen hat Schwarz auch schon eine 15 Jahre alte Technik namens Utah-Array getestet, bei der rund 100 kleine Metallelektroden verwendet werden. Dies könnte eine stabilere Alternative zu Kozais Vorschlag sein.

Der Mikrofaden soll jedoch bald kommerzialisiert werden: Zu den Teilnehmern der Studie gehörte auch Daryl Kipke, Chef der auf Nervenzellen-Aufzeichnungstechnik spezialisierten Firma NeuronNexus. Ein Patentantrag für das Verfahren läuft. (bsc)