Ein neuartiges, radikal miniaturisiertes Gehirnimplantat namens BISC verändert die Möglichkeiten der Interaktion zwischen Mensch und Computer. Es bietet eine papierdünne, drahtlose Verbindung mit hoher Bandbreite direkt zum Gehirn.
Ultradünnes Gehirnimplantat mit Hochgeschwindigkeits-Datenlink
Dieses neue Gehirnimplantat hat das Potenzial, die Mensch-Maschine-Interaktion zu transformieren und die Behandlungsmöglichkeiten für neurologische Erkrankungen wie Epilepsie, Rückenmarksverletzungen, ALS, Schlaganfall und Blindheit zu erweitern. Es hilft, Anfälle zu managen und motorische, sprachliche sowie visuelle Funktionen wiederherzustellen. Dies geschieht durch den Aufbau eines minimal invasiven Kommunikationskanals mit hoher Datendurchsatzrate, sowohl in als auch aus dem Gehirn.
Was dieses System so vielversprechend macht, ist seine geringe Größe in Kombination mit der Fähigkeit, große Datenmengen sehr schnell zu übertragen. Entwickelt von Teams der Columbia University, des NewYork-Presbyterian Hospital, der Stanford University und der University of Pennsylvania, ist dieses Gehirn-Computer-Interface (BCI) um einen einzelnen Siliziumchip herum aufgebaut, der eine drahtlose, hochbandbreitige Brücke zwischen dem Gehirn und externen Computern bietet. Die Plattform trägt den Namen Biological Interface System to Cortex (BISC).
Die Umwandlung der Großhirnrinde in ein Hochbandbreiten-Portal
Ken Shepard, Lau-Familienprofessor für Elektroingenieurwesen an der Columbia University, hat mit dem Co-Autor Andreas S. Tolias, Professor für Augenheilkunde und Mitbegründungsdirektor des Enigma-Projekts an der Stanford University, zusammengearbeitet. Die bahnbrechende Arbeit von Tolias, bei der er KI-Modelle auf großangelegten neuronalen Datensätzen trainierte – einschließlich Datensätzen, die im Tolias-Labor unter Verwendung von BISC aufgezeichnet wurden – ermöglichte es dem Team, rigoros zu testen, wie gut das Gerät neuronale Aktivität decodieren kann.
„BISC verwandelt die Oberfläche der Großhirnrinde in ein effektives Portal, das hochbandbreitige, minimal invasive Lese- und Schreibkommunikation mit KI und externen Geräten ermöglicht“, sagt Tolias. „Die Skalierbarkeit des Einzelchips ebnet den Weg für adaptive Neuroprothetik und Gehirn-AI-Schnittstellen zur Behandlung vieler neuropsychiatrischer Störungen, wie Epilepsie.“
Dr. Brett Youngerman, Assistenzprofessor für neurochirurgische Eingriffe an der Columbia University und Neurochirurg am NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center, fungierte als leitender klinischer Partner im Projekt. „Dieses Hochauflösungs-, hochdatendurchsatz-Gerät hat das Potenzial, die Behandlung von neurologischen Erkrankungen von Epilepsie bis Lähmung zu revolutionieren“, sagt er.
Technologische Innovationen für neurologische Anwendungen
„Die Schlüssel zu effektiven Gehirn-Computer-Interface-Geräten liegt darin, den Informationsfluss zum und vom Gehirn zu maximieren, während das Gerät so minimal invasiv wie möglich implantiert wird. BISC übertrifft frühere Technologien in beiden Bereichen“, fährt Dr. Youngerman fort.
„Die Halbleitertechnologie hat dies möglich gemacht, indem sie die Rechenleistung von raumgroßen Computern in Ihre Tasche bringt“, erklärt Shepard. „Wir tun jetzt dasselbe für medizinische Implantate, sodass komplexe Elektronik im Körper existieren kann, während sie nahezu keinen Platz einnimmt.“
Warum herkömmliche Gehirn-Implantate groß und invasiv sind
BCIs funktionieren, indem sie sich mit den winzigen elektrischen Signalen verbinden, die Neuronen zur Kommunikation verwenden. Bei den derzeitigen medizinischen Geräten umfasst dies typischerweise die Zusammenstellung vieler separater mikroelektronischer Teile, wie Verstärker, Datenwandler, Funkübertrager und Strommanagementschaltungen. Da all diese Hardware untergebracht werden muss, implantieren Ärzte oft einen relativ großen Elektronikbehälter, entweder durch Entfernen eines Teils des Schädels oder durch Platzierung an einem anderen Körperort, wie der Brust, und dann durch Verlegen von Drähten zum Gehirn.
Wie BISC ein Gehirnimplantat auf einen einzigen Chip verkleinert
BISC verfolgt einen anderen Ansatz. Das gesamte Implantat ist ein einzelner komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) integrierter Schaltkreis, der auf nur 50 μm verkleinert und weniger als 1/1000 des Volumens eines typischen Geräts einnimmt. Mit einem Gesamtvolumen von etwa 3 mm³ kann dieser flexible Chip sich an die Oberfläche des Gehirns anpassen. Das Mikroelektrokortikografie-Gerät (µECoG) umfasst 65.536 Elektroden, 1.024 gleichzeitige Aufnahme-Kanäle und 16.384 Stimulation-Kanäle. Da es unter Verwendung der gleichen großangelegten Herstellungsverfahren hergestellt wird, die auch in der Halbleiterindustrie verwendet werden, kann das Implantat in großen Mengen produziert werden.
In diesem einzelnen Chip sind alle elektronischen Komponenten für die Schnittstelle integriert: ein Radio-Transceiver, ein drahtloses Stromversorgungssystem, digitale Steuerlogik, Strommanagement, Datenwandler und die analogen Komponenten, die für die Aufzeichnung und Stimulation erforderlich sind. Eine batteriebetriebene externe Relaisstation versorgt das Implantat mit Energie und tauscht Daten über eine maßgeschneiderte Ultrawideband-Radioverbindung aus, die Bandbreiten von 100 Mbps erreicht – mindestens 100 Mal höherer Durchsatz als jedes andere drahtlose BCI, das derzeit verfügbar ist. Die Relaisstation selbst erscheint für die Außenwelt als ein 802.11-WiFi-Gerät, das effektiv als Brücke zwischen einem Computer und dem Gehirn fungiert.
BISC führt auch seinen eigenen Befehlssatz und eine umfangreiche Software-Suite ein, die zusammen eine dedizierte Rechenarchitektur für BCIs bilden. In den durchgeführten Experimenten ermöglicht dieses hochbandbreitige System es, reichhaltige Muster neuronaler Aktivität in fortschrittliche maschinelles Lernen und Deep-Learning-Werkzeuge zu übertragen, die komplexe Absichten, Wahrnehmungen und innere Zustände decodieren können.
„Indem wir alles auf einem Siliziumstück integrieren, haben wir gezeigt, wie Gehirninterfaces kleiner, sicherer und dramatisch leistungsfähiger werden können“, so Shepard.
Von präklinischen Modellen zu ersten Tests am Menschen
Um diese Technologie in die klinische Nutzung zu überführen, arbeitete Shepards Team eng mit Youngerman und Kollegen am NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Center zusammen. Sie entwickelten und verfeinerten chirurgische Techniken, um den papierdünnen Chip sicher in einem präklinischen Modell zu platzieren, und verifizierten, dass er neuronale Signale zuverlässig und stabil überbrücken kann, wie im neuen Studium dargelegt. Erste Studien an menschlichen Patienten sind im Gange, die sich auf kurzfristige Aufzeichnungen während der Operation konzentrieren.
„Diese ersten Studien geben uns wertvolle Daten darüber, wie das Gerät in einer realen chirurgischen Umgebung funktioniert“, sagt Youngerman. „Die Implantate können durch einen minimal invasiven Schnitt im Schädel eingesetzt und direkt auf die Oberfläche des Gehirns im subduralen Raum geschoben werden. Die papierdünne Bauform und das Fehlen von ins Gehirn eindringenden Elektroden oder Drähten, die das Implantat mit dem Schädel verbinden, minimieren die Gewebereaktivität und die Signalverschlechterung über die Zeit.“
Umfangreiche präklinische Tests und künftige Entwicklungen
Umfassende präklinische Tests von BISC in den motorischen und visuellen Kortexen umfassten die Zusammenarbeit mit Dr. Tolias und Bijan Pesaran, Professor für Neurochirurgie an der University of Pennsylvania, die anerkannte Experten in computergestützter und systemischer Neurowissenschaft sind. „Die extreme Miniaturisierung von BISC ist sehr aufregend als Plattform für neue Generationen von implantierbaren Technologien, die auch mit dem Gehirn über andere Modalitäten wie Licht und Schall interagieren“, sagt Pesaran.
Im Rahmen des Programms zur Entwicklung neuronaler Ingenieursysteme der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) bringt BISC die Expertise der Columbia University in Mikroelektronik, fortschrittliche Neurowissenschaftsprogramme an Stanford und Penn sowie die chirurgische Innovation des NewYork-Presbyterian/Columbia University Irving Medical Centers zusammen.
Kommerzialisierung und zukünftige Anwendungen von Gehirn-AI
Um den Fortschritt zur praktischen Anwendung zu beschleunigen, gründeten die Forscher von Columbia und Stanford das Unternehmen Kampto Neurotech, ein Spin-off, das von Dr. Nanyu Zeng, einem der leitenden Ingenieure des Projekts und Alumni des Studiengangs Elektroingenieurwesen der Columbia University, gegründet wurde. Kampto Neurotech arbeitet an kommerziellen Versionen des Chips für präklinische Forschung und sucht Unterstützung, um die Technologie zur zukünftigen Nutzung bei Menschen voranzutreiben.
„Dies ist eine grundlegend andere Art, BCI-Geräte zu erstellen“, sagt Zeng. „Auf diese Weise hat BISC technologische Fähigkeiten, die die konkurrierenden Geräte um viele Größenordnungen übertreffen.“
Mit dem Fortschritt der künstlichen Intelligenz gewinnen BCI-Technologien sowohl für die Wiederherstellung verlorener Fähigkeiten bei Menschen mit neurologischen Erkrankungen als auch für die potenzielle Steigerung der normalen Funktion durch die Schaffung direkter Verbindungen zwischen Gehirn und Maschinen zunehmendes Interesse.
„Durch die Kombination von ultrahochauflösenden neuronalen Aufzeichnungen mit vollständig drahtlosem Betrieb und der Verknüpfung mit fortschrittlichen Decodierungs- und Stimulation-Algorithmen bewegen wir uns in Richtung einer Zukunft, in der Gehirn und KI-Systeme nahtlos interagieren können — nicht nur für die Forschung, sondern zum Wohle der Menschen“, sagt Shepard. „Das könnte die Art und Weise verändern, wie wir Gehirnstörungen behandeln, wie wir mit Maschinen interagieren und letztendlich, wie Menschen mit KI engagiert sind.“
Referenz: „Stabile, chronische In-vivo-Aufzeichnungen von einem vollständig drahtlosen subduralen 65.536-Elektroden Gehirn-Computer-Interface-Gerät“ 8. Dezember 2025, Nature Electronics.
