Koreanische Wissenschaftler präsentieren flexibles 3D-Neuralinterface: Echtzeit-Hirnmonitoring & kontrollierte Medikamentenabgabe

Obwohl die Messung der elektrischen Aktivität von Neuronen in vielen Disziplinen nützlich ist, hat sich die Entwicklung langlebiger Neuralinterface-Gehirnimplantate mit vernachlässigbaren Nebenwirkungen als herausfordernd erwiesen. Koreanische Wissenschaftler haben nun ein flexibles, multifunktionales Neuralinterface entwickelt, das nicht nur lokale Gehirnaktivität in Echtzeit registrieren, sondern auch einen stetigen Medikamentenfluss über innovative mikrofluidische Kanäle abgeben kann, wodurch Gewebereaktionen auf den Chip reduziert werden. Ihr Design könnte breite Anwendung in Neurowissenschaften und Neuromedizin finden.

Herausforderungen bei Neuralinterfaces

Die Fähigkeit, die elektrische Aktivität des Gehirns zu messen, hat unser Verständnis von Gehirnprozessen, -funktionen und -erkrankungen in den letzten Jahrzehnten erheblich verbessert. Bisher wurde ein Großteil dieser Aktivität über Elektroden auf der Kopfhaut gemessen (Elektroenzephalografie, EEG); die direkte Signalgewinnung aus dem Gehirninneren (durch Neuralinterfaces) während alltäglicher Aktivitäten könnte Neurowissenschaften und Neuromedizin auf völlig neue Ebenen heben. Ein großer Rückschlag ist jedoch, dass die Implementierung von Neuralinterfaces bemerkenswert schwierig ist.

Die Materialien der winzigen Elektroden, die mit Neuronen in Kontakt kommen, sowie aller Verbinder müssen flexibel, aber dennoch robust genug sein, um der relativ rauen Körperumgebung standzuhalten. Bisherige Versuche langlebiger Gehirninterfaces scheiterten, weil natürliche biologische Reaktionen wie Entzündungen die elektrische Leistung der Elektroden im Laufe der Zeit verschlechtern. Aber was, wenn es einen praktischen Weg gäbe, entzündungshemmende Medikamente dort lokal zu verabreichen, wo die Elektroden das Gehirn berühren?

Innovatives Design mit Mikrofluidik

Das Forscherteam hat ein neuartiges, multifunktionales Gehirninterface entwickelt, das gleichzeitig neuronale Aktivität registrieren und Flüssigmedikamente an der Implantationsstelle abgeben kann. Im Gegensatz zu bestehenden starren Geräten weist ihr Design eine flexible 3D-Struktur auf, in der ein Array von Mikronadeln verwendet wird, um über einen Bereich mehrere neuronale Signale zu sammeln, während dünne metallische Leiterbahnen diese Signale an eine externe Schaltung weiterleiten. Ein bemerkenswertester Aspekt dieser Studie ist, dass die Wissenschaftler durch strategisches Stapeln und Mikrobearbeiten mehrerer Polymerschichten mikrofluidische Kanäle in einer Ebene parallel zu den Leiterbahnen integrieren konnten. Diese Kanäle sind mit einem kleinen Reservoir (das die zu verabreichenden Medikamente enthält) verbunden und können einen stetigen Flüssigkeitsstrom zu den Mikronadeln leiten.

Das Team validierte ihren Ansatz durch Gehirninterface-Experimente an lebenden Ratten, gefolgt von einer Analyse der Medikamentenkonzentration im Gewebe um die Nadeln.

Anwendungsaussichten

Die Entwicklung langlebiger multifunktionaler Gehirninterfaces hat Auswirkungen auf mehrere Disziplinen. „Unser Gerät könnte für Brain-Machine-Interfaces geeignet sein, die gelähmten Menschen ermöglichen, Roboterarme oder -beine durch ihre Gedanken zu bewegen, und für die Behandlung neurologischer Erkrankungen durch elektrische und/oder chemische Stimulation über Jahre“, sagt Dr. Yoo Na Kang vom Korea Institute of Machinery & Materials.