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Anwendungen/Forschung Biotechnologie

Auf dem Weg zur Gehirn-Computer-Schnittstelle

Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich, der TU München und des niederländischen Leiden Institute of Chemistry starten mit Mikrosensoren auf Basis von Graphen einen großen Lauschangriff auf Nervenzellen - mit dem langfristigen Ziel, eine Gehirn-Computer-Schnittstelle zu entwickeln.

20.12.2017
FZ-Juelich_Nervenzellen
FZ-Juelich Nervenzellen

Das ungewöhnliche Material Graphen eignet sich laut des Forscherteams bestens für die winzigen Fühler, mit denen die elektrischen Impulse, die unablässig über die Bahnen des menschlichen Nervensystems laufen, gemessen werden sollen. Denn Graphen besteht aus einer Schicht von Kohlenstoff und ist lediglich eine Atomlage dünn. Die Graphen-Atome, die ein sechseckiges Wabenmuster bilden, vereinen als aktive Schicht in den Sensoren gleich drei vorteilhafte Eigenschaften: Sie reagieren äußerst empfindlich auf die schwachen Zellimpulse, sind biologisch verträglich und sie können auf einer biegsamen Unterlage aufgebracht werden.

"Das ist entscheidend für die Anwendungen, die wir uns für diese Bauteile vorstellen können", erklärt Dmitry Kireev, Experte für Mikrotechnologie am Institute of Complex Systems (ICS-8) in Jülich. "Auf lange Sicht geht es darum, eine Gehirn-Computer-Schnittstelle zu entwickeln." Denn die Implantate sollen Signale direkt im zentralen Nervensystem aufgreifen und nach draußen leiten, um beispielsweise Patienten mit einer Prothese die unmittelbare Kontrolle über ihr künstliches Körperteil zu ermöglichen. Doch bis dahin sei es noch ein langer Weg, sagen die Forscher, einstweilen könnten die Sensoren aber dabei helfen, grundlegende Erkenntnisse über die Funktion von Nervenzellen zu gewinnen.

Für die Mikrosensoren hat Kireev bislang zwei verschiedene Architekturen realisieren können: "Im einfachsten Fall bildet die dünne Graphenschicht bloß eine Mikroelektrode, welche die Impulse der Nervenzellen aufnehmen und weiterleiten kann", erklärt Kireev. "Dieser Aufbau besitzt ein geringes Grundrauschen und liefert daher sehr saubere Signale." Die zweite Architektur ist etwas komplexer. Hier bildet die Graphenschicht einen Teil eines Feldeffekttransistors (FET) auf einem Bauteil, das wie ein winziges Ventil für elektrischen Strom funktioniert. Letztendlich sollen sich damit nicht nur Nervenimpulse auslesen, sondern Zellen auch gezielt stimulieren lassen. "Nicht nur einzelne Neuronen verarbeiten bioelektrische Signale, sondern auch Herzzellen. Es ist also durchaus denkbar, mit dieser Technik einen intelligenten Herzschrittmacher zu verwirklichen", so Kireev.

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