Ein radikal miniaturisiertes Gehirnimplantat namens BISC definiert die Möglichkeiten der menschlichen Interaktion mit Computern neu, indem es eine papierdünne, drahtlose, hochbandbreitige Verbindung direkt zum Gehirn bietet. Mit über 65.000 Elektroden und einem beispiellosen Datendurchsatz ermöglicht es das fortschrittliche KI-Decode von Gedanken, Absichten und sensorischen Erfahrungen, während es minimal invasiv bleibt.

Ultra-dünnes Gehirnimplantat mit Hochgeschwindigkeits-Datenverbindung

Ein neues Gehirnimplantat steht bereit, die Mensch-Computer-Interaktion zu transformieren und Behandlungsmöglichkeiten für neurologische Erkrankungen wie Epilepsie, Rückenmarksverletzungen, ALS, Schlaganfall und Blindheit zu erweitern. Es hilft, Anfälle zu managen und motorische, sprachliche sowie visuelle Funktionen wiederherzustellen, indem es einen minimal invasiven, hochdurchsatzfähigen Kommunikationskanal direkt ins Gehirn und wieder heraus schafft.

Die vielversprechende Eigenschaft dieses Systems ist seine sehr kleine Größe kombiniert mit der Fähigkeit, große Datenmengen schnell zu bewegen. Entwickelt von Teams der Columbia University, des NewYork-Presbyterian Hospital, der Stanford University und der University of Pennsylvania, ist dieses Gehirn-Computer-Interface (BCI) um einen einzelnen Siliziumchip aufgebaut, der eine drahtlose, hochbandbreitige Brücke zwischen dem Gehirn und externen Computern bietet. Die Plattform wird als Biological Interface System to Cortex (BISC) bezeichnet.

Das Cortex als Hochbandbreiten-Portal

Shepard arbeitete mit dem leitenden und korrespondierenden Autor Andreas S. Tolias, PhD, Professor für Augenheilkunde und Mitbegründer des Enigma-Projekts an der Stanford University, zusammen. Tolias‘ pionierhafte Arbeit bei der Schulung von KI-Modellen auf großflächigen neuronalen Datensätzen – einschließlich Datensätzen, die im Tolias-Labor unter Verwendung von BISC aufgezeichnet wurden – ermöglichte dem Team, rigoros zu testen, wie gut das Gerät neuronale Aktivität dekodieren kann.

„BISC verwandelt die kortikale Oberfläche in ein effektives Portal und ermöglicht eine hochbandbreitige, minimal invasive Lese- und Schreibkommunikation mit KI und externen Geräten“, sagt Tolias. „Die Skalierbarkeit des einzelnen Chips ebnet den Weg für adaptive Neuroprothesen und Gehirn-KI-Schnittstellen zur Behandlung vieler neuropsychiatrischer Störungen, wie Epilepsie.“

Neurologische Eingriffe und klinische Anwendungen

Dr. Brett Youngerman, Assistenzprofessor für neurologische Chirurgie an der Columbia University und Neurochirurg am NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center, war der leitende klinische Partner des Projekts. „Dieses hochauflösende, hochdurchsatzfähige Gerät hat das Potenzial, die Behandlung neurologischer Erkrankungen von Epilepsie bis Lähmung zu revolutionieren“, sagt er. Youngerman, Shepard und die Epilepsie-Neurologin Dr. Catherine Schevon vom NewYork-Presbyterian/Columbia erhielten kürzlich einen Zuschuss der National Institutes of Health, um BISC im Management von medikamentenresistenter Epilepsie zu implementieren.

Miniaturisierung und technologischer Fortschritt

„Die Schlüssel zu effektiven Gehirn-Computer-Interface-Geräten ist es, den Informationsfluss zu und von dem Gehirn zu maximieren und das Gerät bei der chirurgischen Implantation so minimal invasiv wie möglich zu gestalten. BISC übertrifft frühere Technologien in beiden Bereichen“, fährt Dr. Youngerman fort. „Halbleitertechnologie hat dies ermöglicht, indem die Rechenleistung von raumgroßen Computern jetzt in eine Hosentasche passt“, sagt Shepard.

Herstellung und Funktionalität von BISC

BISC verfolgt einen anderen Ansatz. Das gesamte Implantat ist ein einzelner, dünner CMOS- integrierter Schaltkreis, der nur 50 μm dick ist und weniger als 1/1000 des Volumens eines typischen Geräts einnimmt. Mit einem Gesamtvolumen von etwa 3 mm³ kann dieser flexible Chip der Oberfläche des Gehirns folgen. Das mikroelektrokortikographische (µECoG) Gerät umfasst 65.536 Elektroden, 1.024 simultane Aufnahmekanäle und 16.384 Stimulationskanäle. Da es mit den gleichen großtechnischen Herstellungsverfahren hergestellt wird, die auch in der Halbleiterindustrie verwendet werden, kann das Implantat in großen Stückzahlen gefertigt werden.

Klinische Tests und zukünftige Anwendungen

Um diese Technologie in die klinische Nutzung zu bringen, arbeitete Shepards Team eng mit Youngerman und Kollegen am NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center zusammen. Sie entwickelten und verfeinerten chirurgische Techniken, um den papierdünnen Chip sicher in einem präklinischen Modell zu platzieren und zu verifizieren, dass er neuronale Signale zuverlässig und stabil über die Zeit aufzeichnen konnte. Frühe Studien bei menschlichen Patienten sind im Gange und konzentrieren sich auf kurzfristige Aufzeichnungen während der Operation.

„Diese initialen Studien liefern uns unschätzbare Daten darüber, wie das Gerät in einer realen chirurgischen Umgebung funktioniert“, sagt Youngerman. „Die Implantate können durch einen minimal invasiven Einschnitt im Schädel eingesetzt und direkt auf die Gehirnoberfläche im subduralen Raum geschoben werden. Die papierdünne Form und das Fehlen von in das Gehirn eindringenden Elektroden oder Drähten reduzieren die Gewebe-Reaktivität und Signalverfall über die Zeit.“

Kommerzialisierung und Zukunftsperspektiven

Um den Fortschritt Richtung praktische Anwendung zu beschleunigen, gründeten die Forscher von Columbia und Stanford Kampto Neurotech, ein Spin-off-Unternehmen, das von Dr. Nanyu Zeng, einem der leitenden Ingenieure des Projekts, ins Leben gerufen wurde. Kampto Neurotech arbeitet an kommerziellen Versionen des Chips für präklinische Forschungen und sucht Unterstützung, um die Technologie für zukünftige Anwendungen bei Menschen weiterzuentwickeln.

„Dies ist eine fundamental andere Art und Weise, BCI-Geräte zu bauen“, sagt Zeng. „Auf diese Weise hat BISC technologische Möglichkeiten, die die von konkurrierenden Geräten um ein Vielfaches übertreffen.“

Mit dem Fortschritt der künstlichen Intelligenz erregt die BCI-Technologie zunehmend Interesse, sowohl um verloren gegangene Fähigkeiten bei Menschen mit neurologischen Erkrankungen wiederherzustellen als auch um möglicherweise normale Funktionen zu verbessern, indem direkte Verbindungen zwischen dem Gehirn und Maschinen geschaffen werden.

„Durch die Kombination von ultra-hochauflösenden neuronalen Aufzeichnungen mit einer vollständig drahtlosen Operation und der Verknüpfung dieser mit fortgeschrittenen Decodierungs- und Stimulationsalgorithmen nähern wir uns einer Zukunft, in der das Gehirn und KI-Systeme nahtlos interagieren können – nicht nur zu Forschungszwecken, sondern zum Nutzen des Menschen“, sagt Shepard. „Das könnte ändern, wie wir Gehirnerkrankungen behandeln, wie wir mit Maschinen interagieren und letztendlich, wie Menschen mit KI umgehen.“