Ein transparentes Gehirnimplantat kann tiefe neuronale Aktivitäten von der Oberfläche ablesen

Forscher der University of California in San Diego haben ein Nervenimplantat entwickelt, das beim Sitzen auf seiner Oberfläche Informationen über die Aktivität tief im Gehirn liefert. Das Implantat besteht aus einem dünnen, transparenten und flexiblen Polymerstreifen, der mit einer dichten Anordnung von Graphenelektroden gefüllt ist. Die an transgenen Mäusen getestete Technologie bringt die Forscher dem Aufbau einer minimalinvasiven Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI) einen Schritt näher, die mithilfe von Aufzeichnungen von der Gehirnoberfläche hochauflösende Daten über die tiefe neuronale Aktivität liefert.

Die Arbeit ist veröffentlicht in Natur-Nanotechnologie.

„Mit dieser Technologie erweitern wir die räumliche Reichweite neuronaler Aufzeichnungen“, sagte der leitende Autor der Studie, Duygu Kuzum, Professor am Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik der UC San Diego Jacobs School of Engineering. „Obwohl sich unser Implantat auf der Oberfläche des Gehirns befindet, geht sein Design über die Grenzen der physischen Wahrnehmung hinaus, da es neuronale Aktivitäten aus tieferen Schichten ableiten kann.“

Diese Arbeit überwindet die Einschränkungen aktueller neuronaler Implantattechnologien. Bestehende Oberflächenarrays sind beispielsweise minimalinvasiv, ihnen fehlt jedoch die Fähigkeit, Informationen über die äußeren Schichten des Gehirns hinaus zu erfassen. Im Gegensatz dazu sind Elektrodenanordnungen mit dünnen Nadeln, die in das Gehirn eindringen, in der Lage, tiefere Schichten zu untersuchen, führen jedoch häufig zu Entzündungen und Narbenbildung, wodurch die Signalqualität mit der Zeit beeinträchtigt wird.

Das an der UC San Diego entwickelte neue Nervenimplantat bietet das Beste aus beiden Welten.

Das Implantat ist ein dünner, transparenter und flexibler Polymerstreifen, der sich der Gehirnoberfläche anpasst. Der Streifen ist mit einer hochdichten Anordnung winziger, kreisförmiger Graphenelektroden eingebettet, die jeweils einen Durchmesser von 20 Mikrometern haben. Jede Elektrode ist über einen mikrometerdünnen Graphendraht mit einer Leiterplatte verbunden.

In Tests an transgenen Mäusen ermöglichte das Implantat den Forschern die gleichzeitige Erfassung hochauflösender Informationen über zwei Arten neuronaler Aktivität – elektrische Aktivität und Kalziumaktivität. Wenn das Implantat auf der Oberfläche des Gehirns platziert wird, zeichnet es elektrische Signale von Neuronen in den äußeren Schichten auf. Gleichzeitig ließen die Forscher mit einem Zwei-Photonen-Mikroskop Laserlicht durch das Implantat strahlen, um Kalziumspitzen von Neuronen abzubilden, die sich bis zu 250 Mikrometer unter der Oberfläche befinden.

Die Forscher fanden einen Zusammenhang zwischen elektrischen Oberflächensignalen und Kalziumspitzen in tieferen Schichten. Diese Korrelation ermöglichte es den Forschern, mithilfe elektrischer Oberflächensignale neuronale Netzwerke zu trainieren, um die Kalziumaktivität – nicht nur für große Neuronenpopulationen, sondern auch für einzelne Neuronen – in verschiedenen Tiefen vorherzusagen.

„Das neuronale Netzwerkmodell ist darauf trainiert, die Beziehung zwischen den elektrischen Aufzeichnungen an der Oberfläche und der Kalziumionenaktivität der Neuronen in der Tiefe zu lernen“, sagte Kuzum. „Sobald es diesen Zusammenhang gelernt hat, können wir das Modell verwenden, um die Tiefenaktivität von der Oberfläche aus vorherzusagen.“

Ein Vorteil der Möglichkeit, die Kalziumaktivität anhand elektrischer Signale vorherzusagen, besteht darin, dass die Einschränkungen bildgebender Experimente überwunden werden. Bei der Abbildung von Kalziumspitzen muss der Kopf des Probanden unter dem Mikroskop fixiert werden. Außerdem können diese Experimente jeweils nur ein bis zwei Stunden dauern.

„Da elektrische Aufzeichnungen diesen Einschränkungen nicht unterliegen, ermöglicht unsere Technologie die Durchführung länger dauernder Experimente, bei denen sich die Versuchsperson frei bewegen und komplexe Verhaltensaufgaben ausführen kann“, sagte der Co-Erstautor der Studie, Mehrdad Ramezani, ein Elektro- und Computeringenieur Ph.D. Student in Kuzums Labor. „Dies kann zu einem umfassenderen Verständnis der neuronalen Aktivität in dynamischen, realen Szenarien führen.“

Entwurf und Herstellung des Nervenimplantats

Ihren Erfolg verdankt die Technologie mehreren innovativen Designmerkmalen: Transparenz und hohe Elektrodendichte kombiniert mit Methoden des maschinellen Lernens.

„Diese neue Generation transparenter Graphenelektroden, die in hoher Dichte eingebettet sind, ermöglicht es uns, neuronale Aktivität mit höherer räumlicher Auflösung zu messen“, sagte Kuzum. „Dadurch verbessert sich die Qualität der Signale erheblich. Was diese Technologie noch bemerkenswerter macht, ist die Integration von Methoden des maschinellen Lernens, die es ermöglichen, tiefe neuronale Aktivität aus Oberflächensignalen vorherzusagen.“

Diese Studie war eine Gemeinschaftsarbeit mehrerer Forschungsgruppen an der UC San Diego. Zu dem Team unter der Leitung von Kuzum, der auf die Entwicklung multimodaler neuronaler Schnittstellen spezialisiert ist, gehören der Nanoingenieurprofessor Ertugrul Cubukcu, der sich auf fortschrittliche Mikro- und Nanofabrikationstechniken für Graphenmaterialien spezialisiert hat; Vikash Gilja, Professor für Elektrotechnik und Computertechnik, dessen Labor domänenspezifisches Wissen aus den Bereichen grundlegende Neurowissenschaften, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen integriert, um neuronale Signale zu entschlüsseln; und Takaki Komiyama, Professor für Neurobiologie und Neurowissenschaften, dessen Labor sich auf die Untersuchung neuronaler Schaltkreismechanismen konzentriert, die flexiblen Verhaltensweisen zugrunde liegen.

Transparenz ist eines der Hauptmerkmale dieses Nervenimplantats. Herkömmliche Implantate verwenden undurchsichtige Metallmaterialien für ihre Elektroden und Drähte, die bei bildgebenden Experimenten die Sicht auf Neuronen unter den Elektroden blockieren. Im Gegensatz dazu ist ein aus Graphen hergestelltes Implantat transparent, was einem Mikroskop bei bildgebenden Experimenten ein völlig klares Sichtfeld bietet.

„Eine nahtlose Integration der gleichzeitigen Aufzeichnung elektrischer Signale und optischer Abbildung der neuronalen Aktivität ist nur mit dieser Technologie möglich“, sagte Kuzum. „Die Möglichkeit, beide Experimente gleichzeitig durchzuführen, liefert uns relevantere Daten, weil wir sehen können, wie die bildgebenden Experimente zeitlich an die elektrischen Aufzeichnungen gekoppelt sind.“

Um das Implantat vollständig transparent zu machen, verwendeten die Forscher superdünne, lange Graphendrähte anstelle herkömmlicher Metalldrähte, um die Elektroden mit der Leiterplatte zu verbinden. Allerdings sei die Herstellung einer einzelnen Graphenschicht als dünner, langer Draht eine Herausforderung, da jeder Defekt dazu führen würde, dass der Draht nicht mehr funktionsfähig sei, erklärte Ramezani. „Möglicherweise gibt es eine Lücke im Graphendraht, die verhindert, dass das elektrische Signal durchfließt, so dass es im Grunde genommen zu einem Drahtbruch kommt.“

Die Forscher gingen dieses Problem mit einer cleveren Technik an. Anstatt die Drähte als einzelne Graphenschicht herzustellen, stellten sie sie als Doppelschicht her, die in der Mitte mit Salpetersäure dotiert war.

„Wenn zwei Graphenschichten übereinander liegen, besteht eine gute Chance, dass Defekte in einer Schicht durch die andere Schicht maskiert werden, wodurch die Schaffung voll funktionsfähiger, dünner und langer Graphendrähte mit verbesserter Leitfähigkeit gewährleistet wird“, sagte Ramezani.

Laut den Forschern demonstriert diese Studie die bisher dichteste gepackte transparente Elektrodenanordnung auf einem oberflächensitzenden Nervenimplantat. Um eine hohe Dichte zu erreichen, mussten extrem kleine Graphenelektroden hergestellt werden. Dies stellte eine erhebliche Herausforderung dar, da sich bei schrumpfender Größe der Graphenelektroden ihre Impedanz erhöht – was den Fluss des elektrischen Stroms behindert, der für die Aufzeichnung neuronaler Aktivität erforderlich ist.

Um dieses Hindernis zu überwinden, verwendeten die Forscher eine von Kuzums Labor entwickelte Mikrofabrikationstechnik, bei der Platin-Nanopartikel auf den Graphen-Elektroden abgeschieden werden. Dieser Ansatz verbesserte den Elektronenfluss durch die Elektroden deutlich, während sie gleichzeitig winzig und transparent blieben.

Nächste Schritte

Als nächstes wird sich das Team darauf konzentrieren, die Technologie in verschiedenen Tiermodellen zu testen, mit dem ultimativen Ziel, in Zukunft eine menschliche Übersetzung zu ermöglichen.

Kuzums Forschungsgruppe widmet sich auch der Nutzung der Technologie, um die Grundlagenforschung der Neurowissenschaften voranzutreiben. In diesem Sinne teilen sie die Technologie mit Laboren in den USA und Europa und tragen zu verschiedenen Studien bei, die vom Verständnis, wie Gefäßaktivität mit elektrischer Aktivität im Gehirn gekoppelt ist, bis hin zur Untersuchung, wie Ortszellen im Gehirn so effizient räumliches Gedächtnis erzeugen, reichen .

„Diese Technologie kann für so viele verschiedene grundlegende neurowissenschaftliche Untersuchungen eingesetzt werden, und wir sind bestrebt, unseren Teil dazu beizutragen, den Fortschritt beim besseren Verständnis des menschlichen Gehirns zu beschleunigen“, sagte Kuzum.