Für Menschen mit Hirn- oder Rückenmarksverletzungen ist es äußerst schwierig , mit der Außenwelt zu kommunizieren und sich zu bewegen . Manchmal ist dies gar nicht möglich . Um solchen Patienten zu helfen, entwickeln Wissenschaftler Geräte, die Signale sammeln und entschlüsseln, die durch das Nervengewebe übertragen werden.
Solche Geräte werden Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCIs) genannt. Die Qualität von BCI-Systemen hängt von im Gehirn implantierten Sensoren ab, die elektrische Signale von Nervengewebszellen (Neuronen) registrieren und diese Signale verwenden, um Daten an einen Computer zu übertragen, der beispielsweise einen Roboterarm oder eine Beinprothese steuert.
Die meisten modernen BCI-Systeme verwenden einen oder zwei Sensoren, um Signale von mehreren hundert Neuronen zu empfangen. Neurowissenschaftler interessieren sich für Systeme, die Daten von mehr Gehirnzellen sammeln können.
Ein Forscherteam aus den USA beschloss, die maximale Anzahl von Neuronen mit einem Netzwerk unabhängiger drahtloser neuronaler Mikrosensoren von der Größe eines Salzkorns zu erfassen.
Winzige Sensoren, sogenannte „neuronale Körner“, würden unabhängig voneinander elektrische Impulse von Neuronen aufzeichnen. Informationen über diese Impulse senden sie drahtlos an den zentralen Knoten – dort werden die Signale koordiniert und verarbeitet.
In einem am 12. August in der Zeitschrift Nature Electronics veröffentlichten Artikel beschrieb das Forschungsteam die Verwendung von fast 48 dieser autonomen Neurosamen zur Aufzeichnung der neuralen Aktivität bei Mäusen.
„Bisher waren die meisten BCIs monolithische Geräte, ein bisschen wie kleine Nadelbetten. Die Idee unseres Teams war, diesen Monolithen in winzige Sensoren zu zerlegen, die über die gesamte Großhirnrinde verteilt werden konnten. Das haben wir [in unserer Arbeit] gezeigt“, sagt Co-Autor der Studie Arto Nurmikko von der Brown University.
Das Team, dem Experten der Brown University, der Baylor University, der University of California in San Diego und eines Herstellers drahtloser Geräte angehören, begann vor etwa vier Jahren mit der Entwicklung des Systems.
Die Ingenieure wollten den Aufwand an komplexer Elektronik zum Empfangen und Senden eines Signals von Neuronen zu winzigen Chips – „neuronalen Körnern“ – so weit wie möglich reduzieren. Das Team entwarf und modellierte die Elektronik auf einem Computer und stellte dann nach mehreren Versuchen geeignete Mikrochips her.
Die zweite Aufgabe bestand darin, einen zentralen Kommunikationsknoten für den Empfang und die Verarbeitung von Informationen von Mikrochips zu entwickeln. Dieses Gerät ist ein dünnes Pflaster in der Größe eines Daumenabdrucks, das an der Kopfhaut befestigt wird.
Es funktioniert wie ein Miniatur-Mobilfunkmast und verwendet ein Netzwerkprotokoll, um Signale von Neuronen zu koordinieren, von denen jedes seine eigene Netzwerkadresse hat. Das Pflaster ist auch eine Nahrungsquelle für „Neurograins“.
“ Diese Arbeit war eine echte interdisziplinäre Herausforderung“, sagt Jihun Lee , Erstautor der Studie an der Brown University.
Dann musste sichergestellt werden, dass das System die neuronalen Signale eines lebenden Gehirns aufzeichnen kann . Dazu platzierten die Forscher 48 „Neurograins“ in der Großhirnrinde von Mäusen und zeichneten erfolgreich neuronale Signale auf, die mit spontaner Gehirnaktivität verbunden sind.
Das Team testete auch die Fähigkeit des Geräts, das Gehirn mit winzigen elektrischen Impulsen zu stimulieren, die die Nervenaktivität aktivieren können. Die Stimulation wird von demselben Patch gesteuert – dem Zentrum zur Koordinierung der Arbeit von „Neurograins“.
Die Größe des Nagetiergehirns begrenzt die mögliche Anzahl von Mikrosensoren auf 48. Die Entwickler schlagen jedoch vor, dass die aktuelle Systemkonfiguration bis zu 770 „neuronale Körner“ unterstützen kann.
Letztendlich plant das Team, das System auf viele tausend „neuronale Körner“ zu skalieren, die ein derzeit unerreichbares Bild der Gehirnaktivität liefern.
Es muss noch mehr getan werden, bevor das System zur Steuerung des Gehirns verwendet werden kann, aber die Forscher betrachten die geleistete Arbeit als einen wichtigen Schritt in diese Richtung.
Vorhin haben wir gesagt, dass der Chip im Gehirn zum ersten Mal auf der Welt Gedanken in Sprache umwandelt und dass russische Wissenschaftler „Träume auf Video aufzeichnen“ werden . Wir haben auch darüber geschrieben, wie die BrainGate-Technologie gelähmten Menschen geholfen hat , ihre Tablets mit ihren Gedanken zu steuern.
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