Ultradünne implantierte Gehirn‑Computer‑Schnittstelle bricht Rekorde

Die Mehrheit der Welt interagiert mit ihrem Smartphone, PC oder Tablet über die herkömmlichen Bildschirm- und Tastaturoberflächen. Diese Formen der Mensch‑Maschine‑Kommunikation könnten jedoch in den kommenden Jahren obsolet werden, da ein Team von Ingenieuren aus renommierten Institutionen erfolgreich ein miniaturisiertes, implantierbares BCI geschaffen hat, das das Potenzial hat, mehrere Märkte zu revolutionieren.

Ihre Erfindung kombiniert einen drahtlosen Transceiver, ein fortschrittliches Energiesystem, ein digitales Steuerungsmodul, Datenwandler und mehrere weitere Komponenten, um eine echte bidirektionale Kommunikation direkt zum Gehirn zu ermöglichen. Diese Entwicklung stellt einen bedeutenden Meilenstein für BCI dar, der die Interaktion zwischen Mensch und Maschine eines Tages neu gestalten könnte. Das sollten Sie wissen.

Gehirn‑Computer‑Schnittstelle (BCI)

Gehirn‑Computer‑Schnittstellen haben in den letzten 50 Jahren einen weiten Weg zurückgelegt. Diese Geräte haben sich von einfachen Sensoren, die Alpha‑Wellen erkennen konnten, zu komplexen Systemen entwickelt, die die Gehirnsignale in Echtzeit abfangen und dekodieren können.

Das Wachstum der BCI‑Technologie hat die Tür zu spannenden Entwicklungen geöffnet, darunter Durchbrüche im medizinischen Bereich. Insbesondere haben sich diese Geräte als nützlich bei der Behandlung von Menschen mit neurologischen Störungen wie Epilepsie oder Lähmung erwiesen. Folglich sehen Wissenschaftler diese Technologie als einen wichtigen Sektor, der das Potenzial hat, Millionen zu helfen.

Probleme mit heutigen Gehirn‑Computer‑Schnittstellen (BCI)

Wie zu erwarten, ist erhebliche technologische Komplexität erforderlich, um Gehirnwellen zu erfassen und zu entschlüsseln, um externe Geräte zu steuern. Einer der Hauptfaktoren, der diese Technologie eingeschränkt hat, ist ihre komplizierte Natur. Bis vor kurzem konnten KI‑Systeme diese Wellen nicht genau entschlüsseln, sodass die Aufgabe von herkömmlichen Computersystemen übernommen wurde.

Umständliche Hardware begrenzt aktuelle BCI‑Systeme

Selbst als die Technologie diese Fähigkeiten erreichte, blieb sie groß, unbequem und für den Träger unpraktisch. Die fortschrittlichsten Systeme von heute benötigen einen großen implantierten Behälter, um die meisten Elektronikkomponenten zu beherbergen. Dieser Behälter muss im Schädel oder in der Brust implantiert werden, wobei die zweite Option zusätzliche Kabel erfordert.

Warum heutige BCI‑Systeme nicht skalierbar sind

Mehrere Fertigungsbeschränkungen haben die Massenproduktion dieser Geräte unmöglich gemacht. Zum einen standen die enormen Kosten und die Präzision, die für die großflächige Herstellung erforderlich sind, nicht zur Verfügung. Darüber hinaus wurden moderne Designs nicht für die groß‑skalige Produktion konzipiert, sodass sie Methoden und Komponenten verwenden, die dies unpraktisch machen.

Studie zur Gehirn‑Computer‑Schnittstelle: Im Inneren des BISC‑Implantats

Da diese Einschränkungen als Haupthindernis für das wahre Potenzial von BCI erkannt wurden, 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 Studie¹, mit dem Titel ‘Eine drahtlose subdurale, enthaltene Gehirn‑Computer‑Schnittstelle mit 65.536 Elektroden und 1.024 Kanälen’, veröffentlicht in Nature Electronics, überdenkt den gesamten Ansatz von Grund auf neu. Ihre Schöpfung erreicht eine unvergleichliche Leistung, die um Größenordnungen besser ist als frühere Versionen, und das alles aus einem winzigen, drahtlosen, ultradünnen Neural‑Implantat.

Biologisches Schnittstellensystem zum Cortex (BISC)

Ihre Erfindung, das Biologische Schnittstellensystem zum Cortex (BISC), verfügt über ein vereinfachtes Single‑Chip‑Metall‑Oxid‑Halbleiter‑(CMOS‑) integriertes Schaltungsdesign. Mit nur 50 μm Dicke und einem Volumen von 3 mm³ ist es 1/1000 des Volumens des derzeitigen Standard‑Implantats, etwa so dick wie ein menschliches Haar.

Quelle – Science Daily

Dieses dünne Design ermöglicht es, das Gerät direkt zwischen Gehirn und Schädel zu platzieren. In diesem winzigen Gerät ist viel fortschrittliche Technologie untergebracht, die enorme Rechenleistung bereitstellen kann. Diese Rechenleistung ist notwendig, um Gehirnwellen zu erfassen und an die fortschrittlichen KI‑Systeme zu senden, die die Steuerung übernehmen.

KI‑Modelle

Die Ingenieure nutzten jahrzehntelange Forschung zu Neurologie und Gehirnwellen, um ein effektives KI‑Modell zu erstellen, das Gehirnwellen registrieren, senden und empfangen kann. Das KI‑System kann spezifische Aufgaben wie Bewegung, Absicht und Wahrnehmung dekodieren. Es erreicht dies durch speziell entwickelte Software und Sensoren, die für die Interaktion mit den KI‑Systemen konzipiert wurden.

Elektroden

Um eine echte Gehirn‑Konnektivität zu ermöglichen, arbeitet das BISC als Mikro‑Elektrokortikographie‑(µECoG‑) Gerät. Dieses System nutzt 65.536 Elektroden, 1.024 Aufnahmekanäle und 16.384 Stimulationskanäle, um hochbandbreite Aufnahmen der Gehirnwellen in Echtzeit zu erzeugen.

Die Aufnahmen werden dann an die fortschrittlichen KI‑Systeme gesendet. Diese Systeme kombinieren sowohl Machine‑Learning‑ als auch Deep‑Learning‑Algorithmen, wodurch sie das komplexe Signal interpretieren können. Bemerkenswerterweise baut diese Arbeit auf früheren Arbeiten zur rechnerischen und System‑Neuro­wissenschaft der Mitautoren Dr. Tolias und Bijan Pesaran auf.

Drahtlose Verbindung

Eine vom Patienten getragene Relaisstation ermöglicht eine Hoch‑Durchsatz‑Kommunikation mit dem implantierten Gerät. Da das implantierte Gerät direkt mit dem Gehirn kommuniziert, überträgt es das Signal anschließend an die Relaisstation. Eine tragbare Relaisstation kommuniziert mit dem Implantat über eine maßgeschneiderte Ultrawideband‑(UWB‑) Funkverbindung, die etwa 100 Mbps erreicht und sich extern als Standard‑802.11‑Wi‑Fi‑Gerät präsentiert.

Wie die Gehirn‑Computer‑Schnittstelle gebaut wurde

Das BISC‑Implantat wurde mit leicht zugänglichen Maschinen und Werkzeugen gefertigt, wodurch eine groß‑skalige Produktion möglich wird. Konkret nutzt das Gerät die 0,13‑μm Bipolar‑CMOS‑DMOS‑(BCD‑) Technologie von TSMC. Dieser Ansatz ermöglichte es, die Größe und den Formfaktor des Geräts zu reduzieren, indem mehrere Halbleitertechnologien zu einem Chip kombiniert wurden, um Mixed‑Signal‑ICs zu produzieren.

Diese Strategie ist vorteilhaft, weil sie dem System erlaubt, direkte Logik vom CMOS sowie Hoch‑Spannungs‑Analogfunktionen zu übernehmen. Zusätzlich ermöglicht sie dem Gerät, mit DMOS‑Transistoren mit höherer Effizienz zu arbeiten.

Test der Gehirn‑Computer‑Schnittstelle

Das Team baute ein Demo‑Gerät und führte mehrere Tests durch, um ihre Theorie zu prüfen. Für die chirurgischen Aspekte der Testphase arbeitete das Team mit Youngerman vom NewYork‑Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center zusammen. Gemeinsam entwickelten sie eine sichere und minimal invasive Transplantationsstrategie, die es ermöglichte, das Gerät in einer realen Operationsumgebung zu testen.

Der Vorgang bestand darin, einen kleinen Schnitt zu erzeugen und das Gerät zwischen Gehirn und Schädeldecke zu schieben. Sein flexibles, papierdünnes Design erleichterte den Vorgang erheblich im Vergleich zu herkömmlichen Methoden. Da zudem keine gehirnpenetrierenden Komponenten oder Kabel vorhanden waren, war der Vorgang deutlich sicherer.

Ergebnisse des Tests der Gehirn‑Computer‑Schnittstelle

Die Tests zeigten die wahren Fähigkeiten des Systems, da es in der Lage war, Hochgeschwindigkeits‑Aufnahmen direkt aus dem Gehirn zu erfassen. Es zeigte stabile Leistung und keine sofortige negative Gewebereaktion, was bedeutet, dass es ideal für den Einsatz in medizinischen Szenarien ist, in denen Langzeit‑Implantate erforderlich sind.

Vorteile der BISC‑Gehirn‑Computer‑Schnittstelle

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Echte Anwendungsfälle von BCI und Zeitplan

Es gibt mehrere Anwendungsbereiche für die Gehirn‑Schnittstellen‑Computer. Dieses Gerät wird das Leben von Millionen Menschen verbessern, die an schweren neurologischen Erkrankungen leiden. Krankheiten wie Epilepsie, Lähmung, Anfälle, Verlust motorischer Fähigkeiten, Sprachverlust und Blindheit könnten plötzlich neue Behandlungsmöglichkeiten erhalten.

Diese Technologie wird auch Menschen helfen, die aufgrund von Gliedmaßenverlust Prothesen benötigen. Das System ermöglicht nahtlose Kommunikation und könnte sogar eingesetzt werden, um dem Träger in Echtzeit Rückmeldungen zu geben, was zu einer deutlich befriedigenderen Behandlung führt.

Zeitplan

Dieses Produkt könnte innerhalb der nächsten fünf Jahre in den medizinischen Sektor gelangen. Im Gegensatz zu seinen Vorgängern hat das Team die klinischen Studien bereits mit kurzfristigen intraoperativen Studien an menschlichen Patienten beschleunigt. Daher können Sie erwarten, dass weitere Durchbrüche im Zusammenhang mit dieser Technologie folgen.

Forscher der Gehirn‑Computer‑Schnittstelle

Die BISC‑Studie kombiniert mehrere Aspekte aus renommierten Institutionen. Konkret nutzt sie Columbias Mikroelektronik‑Expertise, die University of Pennsylvania und die Neurowissenschaftsprogramme von Stanford. Zusätzlich werden die chirurgischen Fähigkeiten des NewYork‑Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center eingesetzt. Das Team erhielt Fördermittel aus einem Grant der National Institutes of Health und dem Neural Engineering System Design‑Programm der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Diese Finanzierung ermöglichte es dem Team, die 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 Wirksamkeit des KI‑Modells weiter zu verbessern und vollständige Humanstudien durchzuführen. Darüber hinaus wird das Team Partnerschaften suchen, um das Projekt zu finanzieren und Industrieverträge für die Fertigung des Geräts zu sichern.

Gehirn‑Computer‑Schnittstelle | Fazit

Die Studie zur Gehirn‑Computer‑Schnittstelle öffnet die Tür zu einer Sci‑Fi‑Zukunft, in der Computer einfach durch Gedanken gesteuert werden. Diese Geräte werden zunächst über medizinische Behandlungen der Öffentlichkeit zugänglich gemacht. Es wird jedoch nicht mehr lange dauern, bis Sie ein tiefes Gespräch mit Ihrem Smartphone führen können, ohne die Lippen zu bewegen.

Was halten Sie von diesem BCI‑Gerät? Würden Sie jemals eines tragen? Liken, kommentieren und teilen Sie diesen Artikel und klicken Sie hier, um mehr über andere coole Computer‑Technologien zu erfahren.

Investitionen in die Entwicklung von Gehirn‑Computer‑Schnittstellen

Es gibt viele Unternehmen im BCI‑Sektor, die sich eine Zukunft vorstellen, in der der Geist die schwere Arbeit übernimmt. Während reine BCI‑Start‑Ups häufig privat bleiben, können Investoren etablierte Medizintechnik‑Unternehmen in Betracht ziehen, die die kritische chirurgische Infrastruktur für die Implantation dieser Geräte bereitstellen. Hier ist ein Unternehmen, das die komplexe Neurochirurgie für die nächste Generation von Gehirn‑Schnittstellen ermöglicht.

Integra Lifesciences

Integra Lifesciences trat 1989 in den Markt ein. Sein Gründer, Richard Caruso, wollte den Zugang zu neurologischen Behandlungen erweitern. Dieser Ansatz erhielt dank einer Kombination aus hilfreichen Therapien und positiven Anlegerreaktionen starke Unterstützung. Bemerkenswerterweise ging Integra Lifesciences 1995 an die Börse.

Im Jahr 2007 brachte das Unternehmen ein verbessertes NeuroSight‑Arc‑Gehirn‑Mapping‑Softwaremodul für sein OmniSight‑EXcel‑System heraus, das zur Planung von Eingriffen bei Parkinson und anderen Bewegungsstörungen verwendet wird. Von dort aus erweiterte das Unternehmen sein neurochirurgisches Produktportfolio weiter. Im Jahr 2017 erwarb das Unternehmen Codman Neurosurgery von Johnson & Johnson für 1,045 Mrd. $.

Dieser Schritt erweiterte die Reichweite des Unternehmens und ermöglichte die Bereitstellung fortschrittlicherer Produkte. Wer Zugang zum MedTech‑Bereich sucht, sollte weitere Recherchen zu Integra Lifesciences anstellen.

Neueste Nachrichten und Performance von Integra Lifesciences (IART)

Referenzen

^{1. Jung, T., Zeng, N., Fabbri, J.D. et al. Eine drahtlose subdurale, enthaltene Gehirn‑Computer‑Schnittstelle mit 65.536 Elektroden und 1.024 Kanälen. Nat Electron (2025). https://doi.org/10.1038/s41928-025-01509-9}