Ein in Barcelona ansässiges Startup namens Inbrain Neuroelectronics hat ein neues Graphen-Gehirnimplantat hergestellt und bereitet sich auf seinen ersten Test am Menschen in diesem Sommer vor.
Bei der Technologie handelt es sich um eine Art Brain-Computer-Interface (BCI), das auf großes Interesse stößt, weil es Signale des Gehirns aufzeichnet und zur Analyse an einen Computer überträgt. BCIs werden für die medizinische Diagnostik, als Kommunikationsgeräte für Menschen, die nicht sprechen können, und zur Steuerung externer Geräte, einschließlich Robotergliedern, verwendet. Doch Inbrain beabsichtigt, seine BCI-Technologie in ein therapeutisches Instrument für Patienten zu verwandeln, die an neurologischen Problemen wie der Parkinson-Krankheit leiden.
Da der Chip von Inbrain aus Graphen besteht, verfügt die neuronale Schnittstelle über einige interessante Eigenschaften, darunter die Fähigkeit, das Gehirn sowohl aufzuzeichnen als auch zu stimulieren. Diese Bidirektionalität ist das Ergebnis der Lösung eines Schlüsselproblems mit Metallchips, die typischerweise in der BCI-Technologie verwendet werden: Faradische Reaktionen. Faradische Reaktionen sind eine besondere Art elektrochemischer Prozesse, die zwischen einer Metallelektrode und einer Elektrolytlösung ablaufen. Es stellt sich heraus, dass neuronales Gewebe größtenteils aus wässrigen Elektrolyten besteht. Mit der Zeit verringern diese faradischen Reaktionen die Effizienz von Metallspänen.
Aus diesem Grund ersetzte Inbrain die in diesen Chips üblicherweise verwendeten Metalle durch Graphen, ein Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit. „Metalle haben Faraday-Reaktionen, die dazu führen, dass alle Elektronen miteinander interagieren, was ihre Wirksamkeit bei der Übertragung von Signalen an das Gehirn beeinträchtigt“, sagte Carolina Aguilar, CEO und Mitbegründerin von Inbrain.
Da Graphen im Wesentlichen Kohlenstoff und kein Metall ist, kann der Chip laut Aguilar 200-mal mehr Ladung injizieren, ohne eine Faraday-Reaktion auszulösen. Das Material ist daher über die Millionen von Stimulationsimpulsen hinweg, die ein therapeutisches Instrument benötigt, stabil. Obwohl Inbrain den Chip noch nicht zur Hirnstimulation testet, hofft das Unternehmen, dieses Ziel zu gegebener Zeit zu erreichen.
Laut Aguilar wird der Graphen-basierte Chip mithilfe traditioneller Halbleitertechnologie auf einem Wafer hergestellt. In Reinräumen fertigt Inbrain einen 10 Mikrometer dicken Chip. Der Chip besteht aus dem, was Aguilar „Graphenpunkte“ nennt (nicht zu verwechseln mit Graphenquantenpunkten), deren Größe zwischen 25 und 300 Mikrometern liegt. „Diese Mikrometerskala ermöglicht es uns, diese einzigartige Auflösung bei der Dekodierung von Signalen aus dem Gehirn zu erhalten und ermöglicht uns außerdem eine Mikrometerstimulation oder -modulation des Gehirns“, fügte Aguilar hinzu.
Testen von BCI auf Graphenbasis
Der erste Test der Plattform an einem menschlichen Patienten wird bald an der Universität Manchester durchgeführt, wo sie als Schnittstelle bei der Resektion von Hirntumoren dienen wird. Bei der Entfernung eines Tumors müssen Chirurgen darauf achten, dass Bereiche wie die Sprachzentren des Gehirns nicht beschädigt werden, damit der Patient nach der Operation keine Probleme erleidet. „Der Chip wird während der Tumorresektion so positioniert, dass er mit sehr hoher Auflösung die Signale lesen kann, die dem Chirurgen sagen, wo sich ein Tumor befindet und wo nicht“, erklärt Aguilar. Dies soll es Chirurgen ermöglichen, den Tumor mikrometergenau zu extrahieren und dabei funktionelle Bereiche wie Sprache und Kognition zu erhalten.
Aguilar fügte hinzu: „Wir haben diesen Ansatz für unseren ersten Menschentest gewählt, weil er eine sehr zuverlässige und schnelle Möglichkeit ist, die Sicherheit von Graphen nachzuweisen, aber auch, um das Potenzial dessen zu demonstrieren, was es im Vergleich zur heute verwendeten Metalltechnologie leisten kann.“ »
Aguilar weist darauf hin, dass das Inbrain-Team bereits die Biokompatibilität des Graphen-basierten Chips getestet hat. „Wir arbeiten seit drei Jahren an der Biokompatibilität durch verschiedene große Tiersicherheitsstudien“, sagte Aguilar. „So können wir jetzt grünes Licht bekommen, um ein zusätzliches Maß an Sicherheit beim Menschen nachzuweisen. »
Während dieser Test des Chips in Manchester darauf abzielt, bei Hirntumoroperationen zu helfen, könnte die gleiche Technologie schließlich auch zur Behandlung von Parkinson-Patienten eingesetzt werden. Zu diesem Zweck erhielt das Inbrain-System im vergangenen September von der US-amerikanischen Food & Drug Administration die Auszeichnung „Breakthrough Device“ als Zusatztherapie zur Behandlung der Parkinson-Krankheit. „Zur Behandlung der Parkinson-Krankheit haben wir an verschiedenen präklinischen Studien gearbeitet, die überzeugende Beweise für die Überlegenheit gegenüber aktuellen kommerziellen Technologien im Bereich der Krebstherapie erbracht haben. [reduction] Symptome der Parkinson-Krankheit“, sagte Aguilar.
Zur Behandlung der Parkinson-Krankheit verbindet sich der Chip von Inbrain mit der nigrostriatalen Bahn des Gehirns, die für die Bewegung unerlässlich ist. Der Chip entschlüsselt zunächst die Absichtsmeldung des Gehirns, die einen Schritt oder das Heben des Arms auslöst, was mit einem klassischen BCI möglich ist. Aber der Mikrometer-Präzisionschip von Inbrain kann auch pathologische Biomarker entschlüsseln, die mit Parkinson-Symptomen wie Zittern, Steifheit und Gangstörungen in Zusammenhang stehen.
Durch die hochpräzise Bestimmung dieser Biomarker kann die Technologie von Inbrain die Wirksamkeit der aktuellen medikamentösen Behandlung eines Patienten bestimmen. In dieser ersten Version des Inbrain-Chips werden die Symptome der Parkinson-Krankheit nicht direkt behandelt, sondern sie ermöglicht eine gezieltere Behandlung und eine Reduzierung der Menge der bei der Behandlung eingesetzten Medikamente.
„Patienten mit Parkinson-Krankheit nehmen enorme Mengen an Medikamenten ein, die im Laufe der Zeit angepasst werden müssen, um mit der zunehmenden Resistenz umzugehen, die Patienten gegen die Wirksamkeit des Medikaments entwickeln“, sagte Aguilar. „Wir können diesen Widerstand um mindestens 50 % reduzieren und hoffentlich in Zukunft noch mehr, wenn unsere Geräte präziser werden. »
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