Hirnimplantate dienen verschiedenen Zwecken. Durch die Stimulierung, Aufzeichnung oder Blockierung von Nervensignalen können Hirnimplantate die wissenschaftliche und medizinische Forschung unterstützen, die Verabreichung von Medikamenten erleichtern und die Bewegung und Kommunikation von Menschen wiederherstellen, die an einer neurodegenerativen Krankheit, dem Verlust von Gliedmaßen, Lähmungen oder einer Hirnschädigung gelitten haben.

Wofür werden Hirnimplantate eingesetzt?

Hirnimplantate werden in Zukunft immer häufiger zum Einsatz kommen, sowohl in der Forschung als auch insbesondere zur Unterstützung von Menschen mit eingeschränkter Mobilität. Ein Projekt mit dem Namen BrainGate beispielsweise nutzt Neurotechnologie, um nach einem Trauma Sprach- und Bewegungsfähigkeiten sowie verlorene funktionelle Fähigkeiten wiederherzustellen. In einem anderen Projekt wurde 2017 zum ersten Mal ein Gehirnimplantat eingesetzt, um eine Textnachricht zu versenden.

Forschungsteams auf der ganzen Welt arbeiten an der Verbesserung der Fähigkeiten von Hirnimplantaten, insbesondere ihrer medizinischen Anwendungen.

Wie kann die Nanotechnologie helfen?

Die Fortschritte der Nanotechnologie haben es uns ermöglicht, Systeme zu entwickeln und mit Partikeln im Nanomaßstab zu experimentieren, wodurch sich ganz neue Möglichkeiten eröffnet haben. Dieses neue Potenzial wird von Forschern in zahlreichen wissenschaftlichen Bereichen erkundet, so auch im Bereich der Gehirnimplantate.

Graphen-basiertes Implantat, das die Nervenaktivität aufzeichnet

Letztes Jahr gaben Wissenschaftler die Entwicklung eines Gehirnimplantats auf Graphenbasis bekannt, das die niederfrequente elektrische Aktivität des Gehirns aufzeichnen kann. Über diese Signale ist wenig bekannt, da sie bisher nur schwer zu messen waren. Das auf Graphen basierende Implantat ermöglicht es den Wissenschaftlern, diese Signale zu messen, und wird unser Verständnis des Gehirns vertiefen.

Das Implantat wird eingesetzt, um den Beginn von Anfällen zu untersuchen, was zu verbesserten Diagnose- und Behandlungsstrategien für Epilepsie führen könnte, und könnte auch zur nächsten Generation von Gehirn-Computer-Schnittstellen beitragen.

Einblicke in das menschliche Gehirn mit nanotechnologisch unterstützten Implantaten

Im Jahr 2015 entwickelten Wissenschaftler ein injizierbares elektronisches Netz, das mit elektronischen Bauteilen im Nanomaßstab besetzt ist und die Funktionsweise von Neuronen messen kann. Man geht davon aus, dass das Gerät in naher Zukunft bahnbrechende Erkenntnisse über die Funktionsweise des menschlichen Gehirns liefern kann.

Verbesserte Medikamentenverabreichung durch Nanotechnologie

Mit Hilfe der Nanotechnologie wurden azelluläre synthetische Polymer-Gehirnimplantate hergestellt, die Medikamente an das zentrale Nervensystem abgeben. Bei dieser Methode werden die Medikamente durch Abbau oder Diffusion über lange Zeiträume, z. B. über Wochen oder Monate, abgegeben.

Wiederherstellung von Kommunikation und Mobilität durch Hirnimplantate

Die Nanotechnologie ermöglicht es Wissenschaftlern, makromolekulare Ansätze für Implantate zu verwenden, die sich mit Nervenzellen verbinden können, um stabile Schnittstellen zu schaffen, die verlorene Kommunikations- oder Bewegungsfunktionen wiederherstellen können.

Dies wird bei neuronalen Prothesen eingesetzt, die wie echte Gliedmaßen in das Gehirn integriert werden, sowie bei Kommunikationsanwendungen, die es Menschen ermöglichen, Textnachrichten mit ihren Gedanken zu versenden.

Nanobeschichtete Implantate zur Behandlung von Parkinson, Depressionen und Epilepsie

Seit mehreren Jahrzehnten werden Hirnimplantate zur Behandlung der Parkinsonschen Krankheit, von Depressionen und Epilepsie eingesetzt. Im Jahr 2009 fügten Wissenschaftler eine nanotechnologische Beschichtung hinzu, die es den Elektroden des Geräts ermöglicht, mit geringerem Widerstand mit dem Gehirn in Kontakt zu treten. Dies war ein bedeutender Fortschritt in der Technologie und ermöglichte es dem Implantat, länger zu funktionieren.

Referenzen

1. Masvidal-Codina, E., Illa, X., Dasilva, M. et al. High-resolution mapping of infraslow cortical brain activity enabled by graphene microtransistors. Nature Mater 18, 280–288 (2019). https://doi.org/10.1038/s41563-018-0249-4

2. Vidu, Ruxandra et al. “Nanostructures: a platform for brain repair and augmentation.” Frontiers in systems neuroscience vol. 8 91. 20 Jun. 2014, https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnsys.2014.00091/full

3. Gibney, E. (2015) Injectable brain implant spies on individual neurons Available at: https://www.nature.com/news/injectable-brain-implant-spies-on-individual-neurons-1.17713 (Accessed on 27 February 2020).

 

Azonano@Sarah Moore, 31.12.2021