Ultradünne implantierbare Gehirn-Computer-Schnittstelle bricht Rekorde

Die meisten Menschen weltweit nutzen für die Interaktion mit ihren Smartphones, PCs oder Tablets die herkömmlichen Bildschirm- und Tastaturschnittstellen. Diese Formen der Mensch-Maschine-Kommunikation könnten jedoch in den kommenden Jahren überflüssig werden, da ein Team von Ingenieuren verschiedener renommierter Institutionen erfolgreich ein miniaturisiertes, implantierbares Gehirn-Computer-Interface (BCI) entwickelt hat, das das Potenzial besitzt, mehrere Märkte zu revolutionieren.

Ihre Erfindung kombiniert einen drahtlosen Transceiver, ein fortschrittliches Stromversorgungssystem, ein digitales Steuermodul, Datenwandler und weitere Komponenten, um eine echte, direkte Zwei-Wege-Kommunikation mit dem Gehirn zu ermöglichen. Diese Entwicklung markiert einen wichtigen Meilenstein für Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCIs) und könnte die Interaktion zwischen Mensch und Maschine grundlegend verändern. Hier erfahren Sie alles Wichtige.

Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI)

Gehirn-Computer-Schnittstellen haben in den letzten 50 Jahren eine rasante Entwicklung durchgemacht. Diese Geräte haben sich von einfachen Sensoren, die Alphawellen erfassen können, zu komplexen Systemen entwickelt, die die Signale des Gehirns in Echtzeit abfangen und dekodieren können.

Das Wachstum der BCI-Technologie hat spannende Entwicklungen ermöglicht, darunter bahnbrechende Fortschritte im medizinischen Bereich. Insbesondere haben sich diese Geräte als hilfreich bei der Behandlung von Menschen mit neurologischen Erkrankungen wie Epilepsie oder Lähmungen erwiesen. Wissenschaftler betrachten diese Technologie daher als einen wichtigen Sektor mit dem Potenzial, Millionen von Menschen zu helfen.

Probleme der heutigen Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI)

Wie zu erwarten, ist ein erheblicher technologischer Aufwand erforderlich, um Gehirnwellen zu erfassen und zu entschlüsseln und so externe Geräte zu steuern. Einer der Hauptfaktoren, der diese Technologie bisher eingeschränkt hat, ist ihre Komplexität. Bis vor Kurzem waren KI-Systeme nicht in der Lage, diese Wellen präzise zu entschlüsseln, weshalb diese Aufgabe von herkömmlichen Computersystemen übernommen wurde.

Umständliche Hardware schränkt aktuelle BCIs ein

Obwohl die Technologie diese Fähigkeiten allmählich erreichte, blieb sie für den Träger groß, unbequem und unpraktisch. Die modernsten Systeme benötigen heute einen großen implantierten Behälter, der den Großteil der Elektronik aufnimmt. Dieser Speicher muss entweder im Schädel oder im Brustkorb implantiert werden, wobei die letztere Option zusätzliche Kabel erfordert.

Warum heutige BCIs nicht skalierbar sind

Mehrere Fertigungsbeschränkungen haben die Massenproduktion dieser Geräte bisher unmöglich gemacht. Zum einen fehlten die enormen Kosten und die erforderliche Präzision für eine großflächige Herstellung. Zum anderen wurden moderne Designs nicht für die Massenproduktion entwickelt, da sie Methoden und Komponenten verwenden, die eine solche Produktion unwirtschaftlich machen.

Studie zur Gehirn-Computer-Schnittstelle: Einblick in das BISC-Implantat

In der Erkenntnis, dass diese Einschränkungen das Haupthindernis für die Ausschöpfung des wahren Potenzials von Gehirn-Computer-Schnittstellen darstellen, machte sich ein Team von Ingenieuren der Columbia University, des New York-Presbyterian Hospital, der Stanford University und der University of Pennsylvania daran, diese Probleme zu beheben und ein neues Zeitalter der Mensch-Maschine-Kontrollierbarkeit einzuleiten.

Die Studie¹assoziierte Zeichnung mit dem Titel „Eine drahtlose, subdural platzierte Gehirn-Computer-Schnittstelle mit 65,536 Elektroden und 1,024 Kanälen“Die in Nature Electronics veröffentlichte Studie überdenkt den gesamten Ansatz von Grund auf. Ihre Entwicklung erzielt eine unübertroffene Leistung, die um Größenordnungen besser ist als frühere Versionen – und das alles mit einem winzigen, drahtlosen, ultradünnen neuronalen Implantat.

Biologisches Schnittstellensystem zum Cortex (BISC)

Ihre Erfindung, das sogenannte Biological Interface System to Cortex (BISC), zeichnet sich durch ein vereinfachtes, einchipbasiertes CMOS-Design aus. Mit winzigen Abmessungen von nur 50 μm Dicke und 3 mm³ Volumen hat es nur ein Tausendstel des Volumens herkömmlicher Implantate und ist etwa so dick wie ein menschliches Haar.

Quelle - Science Daily

Dank seiner schlanken Bauweise kann es direkt zwischen Gehirn und Schädel platziert werden. In diesem winzigen Gerät steckt hochentwickelte Technologie, die enorme Rechenleistung bereitstellt. Diese Rechenleistung ist notwendig, um Gehirnströme zu erfassen und an die hochentwickelten KI-Systeme zu senden, die die Steuerung übernehmen.

KI-Modelle

Die Ingenieure nutzten jahrzehntelange Erkenntnisse der Neurologie und Hirnwellenforschung, um ein leistungsfähiges KI-Modell zu entwickeln, das Hirnwellen erfassen, senden und empfangen kann. Das KI-System kann spezifische Aufgaben wie Bewegung, Absicht und Wahrnehmung dekodieren. Dies gelingt ihm durch speziell entwickelte Software und Sensoren, die mit dem KI-System interagieren.

Elektroden

Um eine echte Hirnkonnektivität zu ermöglichen, arbeitet das BISC als Mikro-Elektrokortikographie-Gerät (µECoG). Dieses System nutzt 65,536 Elektroden, 1,024 Aufzeichnungskanäle und 16,384 Stimulationskanäle, um hochauflösende Aufzeichnungen der Hirnströme in Echtzeit zu erzeugen.

Die Aufnahmen werden anschließend an hochentwickelte KI-Systeme gesendet. Diese Systeme kombinieren Algorithmen des maschinellen Lernens und des Deep Learning und sind dadurch in der Lage, das komplexe Signal zu interpretieren. Diese Arbeit baut auf den bisherigen Forschungsarbeiten der beteiligten Autoren Dr. Tolias und Bijan Pesaran im Bereich der Computer- und Systemneurowissenschaften auf.

Drahtlose Verbindung

Eine vom Patienten getragene Relaisstation ermöglicht die Kommunikation mit dem Implantat über hohe Datenraten. Das Implantat kommuniziert direkt mit dem Gehirn und sendet das Signal anschließend an die Relaisstation. Diese kommuniziert über eine speziell entwickelte Ultrabreitband-Funkverbindung (UWB) mit dem Implantat, die eine Datenrate von etwa 100 Mbit/s erreicht, und präsentiert sich nach außen hin als Standard-WLAN-Gerät (802.11).

Wie die Gehirn-Computer-Schnittstelle gebaut wurde

Das BISC-Implantat wurde mit leicht zugänglichen Maschinen und Werkzeugen gefertigt, wodurch eine Serienproduktion ermöglicht wurde. Konkret nutzt das Bauelement die 0.13-µm-Bipolar-CMOS-DMOS-Technologie (BCD) von TSMC. Dieser Ansatz erlaubte es, die Größe und den Formfaktor des Bauelements zu reduzieren, indem mehrere Halbleitertechnologien in einem Chip kombiniert wurden, um integrierte Schaltkreise mit gemischten Signalen (ICs) herzustellen.

Diese Strategie ist vorteilhaft, da sie es dem System ermöglicht, direkte Logik vom CMOS-Chip und analoge Hochspannungsfunktionen zu verarbeiten. Darüber hinaus ermöglicht sie dem Gerät einen effizienteren Betrieb durch den Einsatz von DMOS-Transistoren.

Gehirn-Computer-Schnittstellentest

Das Team entwickelte ein Demonstrationsgerät und führte mehrere Tests durch, um seine Theorie zu überprüfen. Für die chirurgischen Aspekte der Testphase kooperierte das Team mit Youngerman am NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center. Gemeinsam entwickelten sie eine sichere und minimalinvasive Transplantationsstrategie, die es ihnen ermöglichte, das Gerät unter realen chirurgischen Bedingungen zu testen.

Das Verfahren bestand darin, einen winzigen Schnitt zu machen und das Gerät zwischen Gehirn und Schädeldach einzuführen. Dank seiner flexiblen und hauchdünnen Bauweise war der Eingriff deutlich einfacher als herkömmliche Methoden. Da zudem keine ins Gehirn eindringenden Komponenten oder Drähte verwendet wurden, war das Verfahren wesentlich sicherer.

Ergebnisse des Brain-Computer-Interface-Tests

Die Tests demonstrierten die Leistungsfähigkeit des Systems, da es Hochgeschwindigkeitsaufnahmen direkt aus dem Gehirn ermöglichte. Es zeigte eine stabile Leistung und keine unmittelbare negative Gewebereaktion, wodurch es sich ideal für den Einsatz in medizinischen Bereichen eignet, in denen Langzeitimplantate erforderlich sind.

Vorteile der BISC-Gehirn-Computer-Schnittstelle

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Anwendungen und Zeitleiste von BCI-Systemen in der Praxis

Es gibt vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für Gehirn-Computer-Schnittstellen. Dieses Gerät wird dazu beitragen, das Leben von Millionen von Menschen mit schweren neurologischen Erkrankungen zu verbessern. Krankheiten wie Epilepsie, Lähmungen, Krampfanfälle, Verlust von motorischen Fähigkeiten, Sprachverlust und Blindheit könnten plötzlich mit neuen Behandlungsoptionen versorgt werden.

Diese Technologie wird auch Menschen mit Gliedmaßenverlust helfen, die auf Prothesen angewiesen sind. Das System ermöglicht eine nahtlose Kommunikation und könnte sogar Echtzeit-Feedback an den Träger geben, was zu einer deutlich zufriedenstellenderen Behandlung führt.

Geschichte

Dieses Produkt könnte innerhalb der nächsten fünf Jahre im medizinischen Bereich eingesetzt werden. Im Gegensatz zu seinen Vorgängern hat das Unternehmen die klinischen Studien bereits beschleunigt; kurzfristige intraoperative Studien an Patienten laufen bereits. Daher sind weitere bahnbrechende Entwicklungen im Bereich dieser Technologie zu erwarten.

Forscher für Gehirn-Computer-Schnittstellen

Die BISC-Studie vereint verschiedene Aspekte renommierter Institutionen. Konkret nutzt sie die Expertise der Columbia University im Bereich Mikroelektronik sowie die neurowissenschaftlichen Programme der University of Pennsylvania und Stanford. Zusätzlich greift sie auf die chirurgischen Kapazitäten des NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center zurück. Das Team erhielt Fördermittel von den National Institutes of Health und dem Programm „Neural Engineering System Design“ der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Diese Förderung ermöglichte es dem Team, seine Forschung zu beschleunigen und die Ergebnisse zu validieren.

Die Zukunft ultradünner Gehirn-Computer-Schnittstellen

Die Zukunft dieser Technologie sieht vielversprechend aus. Die Ingenieure haben bereits Interesse bekundet, die Effektivität des KI-Modells weiter zu verbessern und umfassende klinische Studien am Menschen durchzuführen. Darüber hinaus wird das Team Partnerschaften anstreben, um das Projekt zu finanzieren und Industrieaufträge für die Geräteherstellung zu sichern.

Gehirn-Computer-Schnittstelle | Fazit

Die Forschung an Gehirn-Computer-Schnittstellen eröffnet die Möglichkeit einer Science-Fiction-Zukunft, in der Computer allein durch Gedanken gesteuert werden. Diese Geräte werden zunächst im Rahmen medizinischer Behandlungen für die Öffentlichkeit zugänglich gemacht. Doch es wird nicht mehr lange dauern, bis man sich mit seinem Smartphone intensiv unterhalten kann, ohne die Lippen zu bewegen.

Was haltet ihr von diesem BCI-Gerät? Würdet ihr jemals eins tragen? Liked, kommentiert und teilt diesen Artikel und klickt hier. werden auf dieser Seite erläutert um mehr über andere coole Computertechnologien zu erfahren.

Investitionen in die Entwicklung von Gehirn-Computer-Schnittstellen

Viele Unternehmen engagieren sich im BCI-Sektor und verfolgen die Vision einer Zukunft, in der das Gehirn komplexe Aufgaben übernimmt. Während reine BCI-Startups oft privat bleiben, können Investoren auf etablierte Medizintechnikunternehmen zurückgreifen, die die notwendige chirurgische Infrastruktur für die Implantation dieser Geräte bereitstellen. Hier ist ein Unternehmen, das die komplexen neurochirurgischen Eingriffe für die nächste Generation von Gehirn-Computer-Schnittstellen ermöglicht.

Integra Biowissenschaften

Integra Lifesciences trat 1989 in den Markt ein. Gründer Richard Caruso wollte den Zugang zu neurologischen Therapien verbessern. Dieser Ansatz fand dank wirksamer Behandlungen und positiver Investorenreaktionen großen Anklang. Integra Lifesciences ging 1995 an die Börse.

Im Jahr 2007 brachte das Unternehmen ein verbessertes NeuroSight Arc-Softwaremodul zur Hirnkartierung für sein OmniSight EXcel-System auf den Markt, das zur Planung von Eingriffen bei Parkinson und anderen Bewegungsstörungen eingesetzt wird. Anschließend baute das Unternehmen sein neurochirurgisches Produktportfolio kontinuierlich aus. 2017 erwarb es Codman Neurosurgery von Johnson & Johnson für 1.045 Milliarden US-Dollar.

Dieser Schritt erweiterte die Reichweite des Unternehmens und ermöglichte es ihm, fortschrittlichere Produkte anzubieten. Wer Zugang zum Medizintechniksektor sucht, sollte Integra Lifesciences näher recherchieren.

Aktuelle Aktiennachrichten und Performance von Integra Lifesciences (IART).

Referenzen

^{1. Jung, T., Zeng, N., Fabbri, JD et al. Eine drahtlose, subdural platzierte Gehirn-Computer-Schnittstelle mit 65,536 Elektroden und 1,024 Kanälen. Nat Elektron (2025). https://doi.org/10.1038/s41928-025-01509-9}