Computing
Neue Technologien machen neuronale Implantate biokompatibel und langlebiger
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Anpassung von Elektronik an unser Gehirn
Im Laufe der Zeit sind elektronische Geräte immer kleiner und allgegenwärtiger geworden, von den frühen Großrechnern, die einen ganzen Raum einnahmen, bis zu heutigen Smartphones und verschiedenen Smart‑Devices.
Die Schnittstelle zur Steuerung dieser Geräte hat sich ebenfalls von Lochkarten zu Touch‑Screens oder sogar Sprachbefehlen entwickelt.
Damit bleibt ein weiterer Schritt für eine bessere Kontrolle und Schnittstelle zwischen uns und unserem Computer: die direkte Steuerung mit dem Geist.
Solche neuronalen Implantate waren lange Zeit ein Konzept, das auf Science‑Fiction beschränkt war. Doch sie werden bald Realität. Es ist wahrscheinlich, dass die ersten Anwendungen medizinisch sein werden, zur Überwachung oder Unterstützung bei Krankheiten, die das Gehirn betreffen. Langfristig könnte der Fortschritt bei der Überwachung der Gehirnaktivität direkt in die vollständige Integration unserer Gedanken in die Steuerung des Computers münden.
Und vielleicht noch weiter in der Zukunft eine nahtlose Verschmelzung beider, mit der ebenso aufregenden wie beängstigenden Möglichkeit, Daten direkt in unser Gehirn „herunterzuladen“, wie in den Matrix‑Filmen.
Weiches Gehirn‑Implantat
Eine der Schwierigkeiten beim Implantieren künstlicher Gegenstände im Körper besteht darin, dass sie das umgebende Gewebe nicht beschädigen. Für einige medizinische Implantate wie Knochenimplantate können biokompatible Metalle wie Titan verwendet werden. Für weichere Gewebe wie das Gehirn sind jedoch flexible weiche Implantate zwingend erforderlich, was mit herkömmlicher Elektronik kaum kompatibel ist.
Zusätzlich können traditionelle Elektronikbauteile durch die Körperflüssigkeiten und Ionen selbst beschädigt werden.
Wenn also sowohl die elektronischen Komponenten als auch die Organe, die mit ihnen interagieren, vor einander geschützt werden müssen, ist wahrscheinlich eine alternative Strategie erforderlich.
„Fortschrittliche Elektronik wird seit mehreren Jahrzehnten entwickelt, sodass ein großer Bestand an verfügbaren Schaltkreis‑Designs existiert.
Das Problem ist, dass die meisten dieser Transistor‑ und Verstärkertechnologien nicht mit unserer Physiologie kompatibel sind.“
Dion Khodagholy, Professor in UC Irvine’s Department of Electrical Engineering and Computer Science.
Aus diesem Grund untersuchen Forscher der University of California und Columbia University weiche organische elektrochemische Transistoren für mögliche Gehirn‑Implantat‑Designs. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in *Nature Communications* unter dem Titel „Spatial control of doping in conducting polymers enables complementary, conformable, implantable internal ion-gated organic electrochemical transistors”1.
Polymer‑Elektronik
Um den harten Silizium‑Transistor zu ersetzen, setzten sie polymerbasierte Elektronik ein und gingen einen Schritt weiter als frühere Versuche im Bereich Bio‑Elektronik.
In früheren Iterationen dieser Technologie wurden die Transistoren aus mehreren unterschiedlichen Materialien hergestellt. Das machte sie zu sperrig und erhöhte das Risiko von Toxizität – ein besonders akutes Problem bei Interaktionen mit empfindlichen Organen wie dem Gehirn.
Stattdessen gelang es ihnen, ein einziges, biokompatibles Material zu verwenden: poly(3,4‑ethylenedioxythiophen)‑Polystyrol‑Sulfonat (PEDOT:PSS).
„Durch das Design von Geräten mit asymmetrischen Kontakten können wir den Dotierort im Kanal steuern und den Fokus von negativem auf positives Potential umschalten. Dieser Designansatz ermöglicht es uns, ein komplementäres Gerät aus einem einzigen Material zu fertigen.“
Die Verwendung eines einzigen Polymers vereinfachte zudem den Fertigungsprozess, wodurch das Design eher kommerziell realisierbar und für die Massenproduktion geeignet ist.
Source: Nature
Schließlich ermöglicht die extreme Flexibilität des Geräts, dass es sich mit dem Körper bewegt und selbst bei wachsenden Organstrukturen konform bleibt. Das kann bei pädiatrischen Anwendungen einen enormen Unterschied machen, da das Implantat sich im Laufe der Zeit an das wachsende Kind anpassen muss.
Ionen statt Elektronen
Ein weiterer Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die Elektronik Signale von Ionen des Körpers nutzt, anstatt von elektrischem Strom. Das ist wichtig, weil Ionen‑Fluss die Art ist, wie unsere Zellen Signalinformationen übertragen – selbst bei Neuronen, bei denen die elektrische Entladung an Synapsen das Ergebnis einer Änderung der Ionenkonzentration ist.
„Für unsere Innovation haben wir organische Polymermaterialien verwendet, die biologisch näher an uns liegen, und wir haben sie so konzipiert, dass sie mit Ionen interagieren, weil die Sprache des Gehirns und des Körpers ionisch und nicht elektronisch ist.“
Die Implantate konnten die Aktivität einzelner Neuronen nachweisen – ein Muss für jede zukünftige neuronale Implantattechnologie.
Die Stabilität und Zuverlässigkeit der Implantate wurde an lebenden, frei beweglichen Nagetieren getestet. Das leichte Gewicht der Implantate könnte eine Revolution für die Untersuchung junger Mäusehirne darstellen, da diese zu klein sind, um mit herkömmlichen, schwereren und größeren Implantaten gemessen zu werden.
Source: Nature
Langlebigere Implantate
Während flexible und präzise Elektronik und Sensoren für jedes neuronale Implantat notwendig sein werden, ist Haltbarkeit ein weiteres Thema.
Da wir das Schädelknochen nicht regelmäßig wieder öffnen wollen, um das Implantat zu wechseln, muss jede eingesetzte Elektronik ultra‑langlebig und zuverlässig sein.
Es ist außerdem wahrscheinlich, dass Implantate weiterhin irgendeine Form von Silizium‑Elektronik für Berechnungen benötigen, selbst wenn diese Teile nicht direkt mit dem Gehirn interagieren. Daher ist es ein notwendiger Schritt, Silizium‑Elektronik zu entwickeln, die die Gehirnumgebung überleben kann.
„Miniaturisierte neuronale Implantate haben ein enormes Potenzial, das Gesundheitswesen zu transformieren, doch ihre langfristige Stabilität im Körper ist ein großes Problem.“
Dr. Vasiliki (Vasso) Giagka, Associate Professor at the Delft University of Technology
Forscher der Technischen Universität Delft (Niederlande), des University College London, des Imperial College London und von HUN‑REN (Ungarn) haben an diesem Thema gearbeitet. Sie veröffentlichten ihre Entdeckung in *Nature Communications* unter dem Titel „On the longevity and inherent hermeticity of silicon-ICs: evaluation of bare-die and PDMS-coated ICs after accelerated aging and implantation studies”2.
Schutz der Chips vor dem Gehirn
Die Forscher begannen damit, den Degradationsprozess von siliziumbasierter Elektronik zu untersuchen, wenn sie im Gehirn implantiert wird. Die Tests wurden sowohl in‑vivo als auch in Laborsimulationen von In‑vivo‑Bedingungen durchgeführt.
Sie testeten Chips von zwei verschiedenen Herstellern, die jeweils unterschiedliche Fertigungsprozesse für den Chip verwendeten, um die Ergebnisse leichter auf beliebige Silizium‑Elektronikdesigns übertragen zu können.
Source: Nature
Transistoren, die Rechenelemente der Chips, sind durch eine dünne Schicht aus Silizium‑Oxid und Silizium‑Nitrit von etwa 200–300 µm Dicke geschützt. Die Stabilität dieser Schutzschicht bestimmt größtenteils die Haltbarkeit des Chips nach der Implantation.
Source: Nature
Dann untersuchten die Forscher die Verwendung von Polydimethylsiloxan (PDMS, Silikon‑Gummi) als weiche, aber feuchtigkeitsdurchlässige Beschichtung, um die Lebensdauer implantierbarer Elektronik zu verlängern. Teile der Chips wurden mit PDMS beschichtet, der Rest blieb unbeschichtet, um den Unterschied in der Degradation zu beobachten.
Source: Nature
Radikale Verbesserung der Haltbarkeit
Wenn sie einer schädlichen Umgebung ausgesetzt wurden, sei es im Labor oder in Ratten, bot die PDMS‑Schicht einen sehr langlebigen Schutz für das Silizium‑Substrat. Im Gegensatz dazu erfolgte eine schnelle Erosion von Silizium‑Oxid und -Nitrit bereits nach wenigen Monaten, wobei die Schutzschicht nach zehn Monaten vollständig verloren ging.
Source: Nature
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass nackte Silizium‑Chips, wenn sie sorgfältig entworfen werden, monatelang zuverlässig im Körper funktionieren können.
Wir waren alle überrascht. Ich hatte nicht erwartet, dass Mikrochips so stabil sind, wenn sie in heißem Salzwasser eingeweicht und elektrisch vorgespannt werden.“
Es sollte zudem beachtet werden, dass „Chip A“ deutlich schneller erodierte als „Chip B“, sodass das Design eines Silizium‑Chips die Haltbarkeit in neuronalen Implantatanwendungen stark beeinflussen kann.
Ein leicht höherer Wasserstoff‑(H‑)Gehalt in Chip A könnte diesen Unterschied erklären, ebenso wie möglicherweise die Morphologie (atomare Anordnungen), die bei feuchten Umgebungen die chemische Stabilität beeinflusst.
Anwendungen
Die Kombination aus Silizium‑Chips, die lange Zeit im Gehirn überleben, und flexibler Polymer‑Elektronik, die die Aktivität einzelner Neuronen erkennen kann, eröffnet neue Konzepte.
Dies liegt daran, dass die Kombination beider neuer Eigenschaften die Implantate deutlich weniger invasiv machen und gleichzeitig langlebig genug sein könnte, um ein semi‑permanenter Teil unseres Gehirns zu werden.
„Durch die Verlängerung der Lebensdauer neuronaler Implantate eröffnet unsere Studie Wege zu langlebigeren und effektiveren Technologien für Gehirn‑Computer‑Schnittstellen und medizinische Therapien.“
Neurologische Erkrankungen
Die ersten Anwendungen neuronaler Implantate werden in der biomedizinischen Forschung liegen. Dazu gehört eine bessere Messung der Gehirnaktivität in Tiermodellen (insbesondere Ratten).
Langfristig sollte dies zu neuen Behandlungsmethoden für sämtliche neurologischen Erkrankungen führen, einschließlich Alzheimer, Parkinson, amyotropher Lateralsklerose (ALS) usw.
Es könnte auch nützlich sein, psychiatrische Zustände wie klinische Depression, bipolare Störung und Schizophrenie zu behandeln.
Dies folgt dem ersten Erfolg neuronaler Implantate des von Elon Musk unterstützten Unternehmens Neuralink, das sich auf die Verbesserung der fehlgeschlagenen Gehirn‑Muskel‑Schnittstelle konzentriert.
Echte neuronale Implantate
Die direkte Übersetzung zerebraler Aktivität in maschinenlesbare Eingaben kann ein nahezu unbegrenztes Potenzial haben, insbesondere im Zusammenspiel mit dem parallelen Wachstum der KI‑Technologie.
Zunächst könnte es Menschen mit schweren Motilitätsbeeinträchtigungen helfen, mit vielen Beispielen potenzieller Anwendungsfälle:
- Wiederherstellung der Sprache bei gelähmten Personen oder Schlaganfallopfern.
- Verbesserung der Mobilität von Schlaganfallpatienten oder Menschen mit Zerebralparese, Muskeldystrophie usw.
- Ermöglichung der Nutzung eines Computer‑Cursors oder fernsteuerbarer Werkzeuge, was behinderten Menschen das selbstständige Ausführen täglicher Aufgaben und die Steigerung ihrer Autonomie erlauben könnte.
Langfristig würde diese Art von Implantat eindeutig in den Bereich der Science‑Fiction vordringen:
- Exoskelett, das auf Gedanken reagiert, ähnlich wie unsere Muskeln, und die normale Kraft multipliziert.
- Vollständige Fernsteuerung von Robotkörpern außerhalb unseres physischen Standorts, mit offensichtlichen Anwendungen in gefährlichen Industrien oder dem Militär.
- Direkte Kommunikation mit Computern für sowohl arbeitsbezogene Aufgaben als auch Unterhaltung (z. B. Videospiele oder VR‑Filme).
- Rückübertragung von Daten ins Gehirn, von der Verbesserung des Spracherwerbs (oder eventuell KI‑unterstützter Echtzeit‑Übersetzung) bis hin zum direkten Empfang von Informationen im Gehirn.
Natürlich erfordert die immer engere Schnittstelle zwischen Elektronik, Computern und unserem Gehirn verstärkte Sicherheitsmaßnahmen. Während wir bereits über Hacking‑Risiken für Computer und Smartphones besorgt sind, wäre ein bösartiger Angriff auf neuronale Implantate exponentiell schädlicher.
Investieren in neuronale & medizinische Implantate
Sie können in implantatbezogene Unternehmen über zahlreiche Broker investieren; hier finden Sie auf securities.io unsere Empfehlungen für die besten Broker in den USA, Kanada, Australien, dem Vereinigten Königreich sowie in vielen anderen Ländern.
Wenn Sie nicht gezielt einzelne Unternehmen auswählen möchten, können Sie auch in ETFs wie den iShares U.S. Medical Devices ETF (IHI) oder den SPDR S&P Health Care Equipment ETF (XHE) investieren, die eine diversifizierte Exposition auf das wachsende Wearable‑ und Medizingeräte‑Segment bieten.
Sie können zudem unseren Artikel „Top 6 Medical Devices Stocks“ konsultieren.
Elektronische Implantat‑Unternehmen
PHG Preisdiagramm
Die erste Anwendung neuronaler Implantate wird wahrscheinlich im medizinischen Bereich liegen. Daher werden neben privaten Unternehmen wie Neuralink und anderen, die in unserem Artikel „5 Best Brain‑Computer Interfaces (BCI) Companies“ aufgeführt sind, Unternehmen, die bereits tief im Bereich der Gesundheits‑Elektronik‑Sensorik verankert sind, die ersten sein, die irgendeine Form von neuronalen Implantaten kommerzialisieren.
Philips ist eine bekannte Marke für kleine Konsumelektronik (Rasierer, elektrische Zahnbürsten) und zugleich aktiv im Gesundheitswesen. Beispielsweise war Philips 2022 in Europa das Unternehmen mit den meisten MedTech‑Patentanmeldungen.
Das Unternehmen ist aktiv in vernetzten Medizinprodukten, von Wearables über Bildgebung, Beatmungsgeräte bis hin zu medizinischen Robotern. Philips ist zudem im Halbleiterbereich (inklusive Magnetschwebetechnologie) und in High‑Tech/Robotik/Automatisierung tätig.
Source: Philips
Philips bietet Wearables für kardiale, respiratorische und Aktivitätsmetriken an. Seine Sensoren können in Smartwatches, Gesundheitsmonitoren, medizinischen Patches und Aktivitätstrackern integriert werden.
Wenn neuronale Implantate eine bewährte Technologie werden, können wir erwarten, dass Philips’ Expertise in biokompatiblen Sensoren das Unternehmen zum Marktführer in diesem Sektor macht.
Bezüglich Medizinprodukten setzt Philips auf Partnerschaftslösungen, bei denen es für Dritte „ihre“ vernetzten IoT‑Medizingeräte entwickelt, die vollständig mit den übrigen Philips‑Lösungen kompatibel sind. In diesem Kontext bietet Philips seinen Kunden Prototyping, regulatorische Beratung, End‑to‑End‑Produktentwicklung und industrielle Serienproduktion an.
Damit positioniert sich Philips als technologie‑fokussiertes Unternehmen und als wahrscheinlicher Kandidat, Innovationen wie flexible piezoelektrische Generatoren schnell in bestehende Medizinprodukte zu integrieren.
Im Jahr 2023 beeinflussten Philips‑Geräte direkt 1,82 Milliarden Menschen.
Das Unternehmen strebt an, ein vollständig integriertes digitales Gesundheitsumfeld zu schaffen, in dem Sensoren mit Geräten harmonieren und über mehrere Konnektivitätslösungen in die Philips HealthSuite‑Cloud eingebunden werden, um tiefgehende Datenanalysen zu ermöglichen.
Auch hier könnte eine direkte Gehirn‑Elektronik‑Schnittstelle nahtlos in diese bereits bestehende IT‑Infrastruktur integriert werden.
Source: Philips
Als MedTech‑Lieferant ist Philips im Vergleich zu anderen, bekannteren Unternehmen weniger sichtbar. Dennoch ist Philips Experte im Bau hochperformanter elektronischer Geräte und Sensoren und treibt häufig die Grenzen des Möglichen im Gesundheits‑ und Wearable‑Bereich voran.
Da Wearables und medizinische Elektronik zunehmend in Gesundheits‑ und Behandlungsprotokolle integriert werden, wird der Healthcare‑Sektor von Philips voraussichtlich weiter wachsen und ein bedeutender Teil des Konglomerats bleiben.
Studienreferenz:
1. Wisniewski, D.J., Ma, L., Rauhala, O.J.et al. (2025) Spatial control of doping in conducting polymers enables complementary, conformable, implantable internal ion-gated organic electrochemical transistors. Nat Commun 16, 517. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55284-w
2. Nanbakhsh, K., Shah Idil, A., Lamont, C.et al. (2025) On the longevity and inherent hermeticity of silicon-ICs: evaluation of bare-die and PDMS-coated ICs after accelerated aging and implantation studies. Nat Commun 16, 12. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55298-4
