Ein neuartiges Gerät auf Basis flexibler Elektronik soll das Kartographieren der Neuronen erleichtern und effektivere Methoden zur Gehirnstimulation ermöglichen.

Wenn die Wissenschaft die Funktionsweise des Gehirns verstehen will, muss sie zunächst einmal die elektrischen Signale decodieren, die die Nervenzellen produzieren. Und um die aufzuzeichnen, müssen Elektroden in das Hirngewebe eingeführt werden. Das Problem: Die Komponenten, die traditionell für die Aufzeichnung der Hirnsignale (und zusätzlich zur Hirnstimulation) verwendet wurden, sind starr und können zu Verletzungen führen. Durch Vernarbungen arbeiten sie zudem nicht besonders lange am Stück.

Forscher an der Harvard University haben nun ein neuartiges Implantat entwickelt, das auf flexibler Elektronik basiert und so kompakt ist, dass man es sogar injizieren kann. Arbeitet die Technik wie erhofft, könnten sich bald elektrische Aktivitäten in Netzwerken aus Nervenzellen aufzeichnen lassen, die mit konkreten Hirnfunktionen zu tun haben, etwa der Bildung langfristiger Erinnerungen. Erkrankungen wie Schizophrenie oder Parkinson ließen sich besser erforschen. Auch eine verträglichere Hirnstimulation zur Bekämpfung neurodegenerativer Krankheiten sei denkbar, sagt das Wissenschaftlerteam. Und zu guter Letzt hoffen die Forscher auch auf die Entwicklung stabiler Hirn-Computer-Schnittstellen, die etwa Querschnittsgelähmte nutzen könnten, um Prothesen zu steuern.

Eine Anwendungsmöglichkeit von Hirnimplantaten ist die tiefe Hirnstimulation, die unter anderem gegen Parkinson eingesetzt wird. Dabei werden Elektroden in bestimmte Regionen des Gehirns eingebracht, die dann elektrische Impulse produzieren, um durch die Krankheit hervorgerufene Störsignale zu kompensieren. Auch gegen Epilepsie kann dies hilfreich sein.

Die heute verwendete Technik wird dabei nicht durch die Elektronik eingeschränkt, sagt Charles Lieber, Professor für Chemie und chemische Biologie an der Harvard University, einer der Leiter der Forschungsgruppe. "Die Verfahren sind jetzt schon sehr mächtig." Das Problem bleibe die Schnittstelle zum Hirngewebe. "Die ist keinesfalls ideal." Vorhandene implantierbare Elektroden seien zu groß und zu starr. Das mechanische Ungleichgewicht führe zu Gewebeverletzungen und sogar Immunreaktionen des Körpers.

Mit der Zeit verlieren die Elektroden so die Möglichkeit, Signale adäquat aufzuzeichnen oder Hirnbereiche zu stimulieren. Messsysteme müssten manchmal bereits nach Tagen oder Wochen wieder entnommen werden. Bei der Tiefenhirnstimulation sind häufig Umpositionierungen und Anpassungen der Elektroden notwendig.

In der Vergangenheit wurden zwar große Fortschritte im Bereich der Entwicklung neuartiger Implantate aus besser biokompatiblen Materialien gemacht. Das Grundproblem bleibe aber bestehen, sagt Experte Lieber.

Seine Gruppe hat deshalb eine nanoelektronische Mesh-Struktur entwickelt, die biologischem Gewebe sehr ähnlich ist. Einzelne Teilbereiche ihrer Komponenten sind nicht größer als menschliche Zellen. Die Flexibilität sei dagegen viele Größenordnungen höher als bei bisherigen Elektroden.

Die Idee entstand ursprünglich im Rahmen eines Projekts zur Herstellung künstlichen Gewebes. Dabei wurde eine gerüstartige Struktur aufgebaut, die das Wachstum von Zellen in drei Dimensionen unterstützt, ähnlich wie es im Körper erfolgt. Gleichzeitig lassen sich winzige elektronische Sensoren mitverbauen, um das Verhalten der Zellen zu überwachen. Dabei zeigte sich, dass sich die Technik auch für solche Hirnelektroden eignet.

Zuletzt demonstrierte die Gruppe, dass sich die Mesh-Struktur auch mittels Spritze in Zielregionen eines Mäusegehirns einführen lässt – getestet an lebenden Nagern. Die Weiterleitung der aufgezeichneten Signale folgt per Draht an einen außerhalb des Körpers liegenden Teil des Geräts. Zu großen negativen Gewebereaktionen kam es in der Versuchsphase nicht. Entsprechend könnte der Ansatz für Langzeitmessungen genutzt werden.

Produziert wird die Minielektrode mit Hilfe konventioneller photolithographischer Verfahren basierend auf Nanodrähten aus Metall in Kombination mit Polymeren. Winzige elektronische Komponenten wie Sensoren oder Elektrodenstimulatoren lassen sich direkt einbauen. Ein Mesh-Gerüst mit einer Breite von anderthalb Zentimetern lässt sich so klein falten, dass eine Injizierung mit einer Nadel möglich ist, deren Spitze einen Durchmesser weniger Hundert Mikrometer hat. Im Körper entfaltet sich die Struktur dann dreidimensional. Mit der Zeit verbinden sich die Nervenzellen mit der Mesh-Struktur, so dass sich viele einzelne Neuronen einer Region messen oder stimulieren lassen. Die Interaktion verlaufe sehr positiv, so Lieber: "Die Nervenzellen reagieren freundlich."

In bislang unveröffentlichten Experimenten gelang die Aufzeichnung spezifischer Neuronen über mehrere Monate, ohne dass das Signal schlechter wurde. Als Nächstes soll nun gezeigt werden, dass das an Mäusen auch über sechs Monate oder gar ein Jahr lang klappt. Anschließend wären dann Tests an Menschenaffen dran, bevor es klinische Tests am Menschen geben kann. ()