Revolutionäre Technologie Einführung der nächsten Generation von Sehimplantaten

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Forscher haben ein kleines Implantat mit Elektroden von der Größe eines einzelnen Neurons entwickelt, das auch über längere Zeit im Körper intakt bleiben kann. Dieses revolutionäre Implantat ist vielversprechend für künftige Sehhilfen für Blinde.

Eine Gruppe von Forschern der Chalmers University of Technology in Schweden, der Universität Freiburg und des Netherlands Institute for Neuroscience hat ein kleines Implantat mit Elektroden von der Größe eines einzelnen Neurons entwickelt, das auch über längere Zeit im Körper intakt bleiben kann – eine einzigartige Kombination, die vielversprechend für künftige Sehimplantate für Blinde ist.

Wenn eine Person blind ist, ist oft ein Teil des Auges beschädigt, aber der visuelle Kortex im Gehirn funktioniert noch und wartet auf Input. Bei der Hirnstimulation zur Wiederherstellung des Sehvermögens müssen Tausende von Elektroden in ein Implantat eingesetzt werden, um genügend Informationen für ein Bild zu erhalten. Durch das Senden von elektrischen Impulsen über ein Implantat an den visuellen Kortex des Gehirns kann ein Bild erzeugt werden, wobei jede Elektrode ein Pixel darstellen würde.

„Dieses Bild wäre nicht die Welt, wie jemand mit vollem Sehvermögen sie sehen würde. Das durch elektrische Impulse erzeugte Bild wäre wie die Matrixtafel auf einer Autobahn, ein dunkler Raum und einige Flecken, die je nach den gegebenen Informationen aufleuchten. Je mehr Elektroden einspeisen, desto besser wäre das Bild“, sagt Maria Asplund, die den technologischen Entwicklungsteil des Projekts leitete und Professorin für Bioelektronik an der Chalmers University of Technology in Schweden ist.

Das in dieser Studie entwickelte Sehimplantat kann als „Faden“ mit vielen hintereinander angeordneten Elektroden beschrieben werden. Langfristig bräuchte man mehrere Fäden mit Tausenden von Elektroden, die mit jedem einzelnen verbunden sind. Die Ergebnisse dieser Studie sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem solchen Implantat.

Die Zukunft der Sehimplantate

Ein elektrisches Implantat zur Verbesserung der Sehkraft bei blinden Menschen ist kein neues Konzept. Die derzeit an menschlichen Patienten erforschte Implantattechnologie stammt jedoch aus den 1990er Jahren. Es gibt mehrere Faktoren, die verbessert werden müssen, wie die sperrige Größe, die Narbenbildung im Gehirn aufgrund der großen Abmessungen, die Korrosion der Materialien im Laufe der Zeit und die zu starren Materialien.

Durch die Entwicklung einer kleinen Elektrode von der Größe eines einzelnen Neurons haben die Forscher die Möglichkeit, viele Elektroden auf einem einzigen Implantat unterzubringen und ein detaillierteres Bild für den Patienten zu erstellen. Die einzigartige Mischung aus flexiblen, nicht korrosiven Materialien macht dies zu einer langfristigen Lösung für Sehimplantate.

„Die Miniaturisierung der Komponenten von Sehimplantaten ist unerlässlich. Die Elektroden müssen so klein sein, dass sie die Stimulation einer großen Anzahl von Punkten in den ‚visuellen Bereichen des Gehirns’ auflösen können“, sagt Professor Asplund. „Die wichtigste Forschungsfrage für das Team lautete: Können wir mit den uns zur Verfügung stehenden Materialien so viele Elektroden auf einem Implantat unterbringen, dass es klein genug und gleichzeitig effektiv ist? Und die Antwort aus dieser Studie lautete: Ja.“

Je kleiner die Größe, desto schlechter die Korrosion

Die Herstellung eines elektrischen Implantats in so kleinem Maßstab bringt einige Herausforderungen mit sich, insbesondere in einer schwierigen Umgebung wie dem menschlichen Körper. Das Haupthindernis besteht nicht darin, kleine Elektroden zu entwickeln, sondern darin, diese kleinen Elektroden in einer feuchten Umgebung haltbar zu machen.

Die Korrosion von Metallen in chirurgischen Implantaten ist ein großes Problem, und da das Metall sowohl der funktionelle Teil als auch der korrodierende Teil ist, ist die Menge des Metalls entscheidend. Das elektrische Implantat, das Asplund und ihr Team entwickelt haben, ist nur 40 Mikrometer breit und 10 Mikrometer dick, wie ein gespaltenes Haar, wobei die Metallteile nur wenige hundert Nanometer dick sind. Da die winzige Visionselektrode so wenig Metall enthält, könne sie es sich gar nicht leisten, zu korrodieren, sonst würde sie nicht mehr funktionieren, erklärt das Forscherteam.

In der Vergangenheit konnte dieses Problem nicht gelöst werden. Doch jetzt hat das Forscherteam eine einzigartige Mischung von Materialien entwickelt, die übereinander geschichtet sind und nicht korrodieren. Dazu gehört ein leitfähiges Polymer, das die elektrische Stimulation, die für die Funktion des Implantats erforderlich ist, in elektrische Reaktionen in den Neuronen umwandelt. Das Polymer bildet eine Schutzschicht auf dem Metall und macht die Elektrode widerstandsfähiger gegen Korrosion, quasi eine Schutzschicht aus Kunststoff, die das Metall bedeckt.

„Die leitende Polymer-Metall-Kombination, die wir implementiert haben, ist für Sehimplantate revolutionär, da sie hoffentlich während der gesamten Lebensdauer des Implantats funktionsfähig bleiben können. Wir wissen jetzt, dass es möglich ist, Elektroden so klein wie ein Neuron herzustellen und diese Elektrode im Gehirn über sehr lange Zeiträume effektiv zu betreiben, was vielversprechend ist, da dies bisher fehlte. Der nächste Schritt wird sein, ein Implantat zu schaffen, das Anschlüsse für Tausende von Elektroden haben kann“, sagt Asplund. Dies wird derzeit in einem größeren Team im laufenden EU-Projekt Neuraviper erforscht.

Mehr über die Studienmethode

Die Methode wurde von den Forschern am Netherlands Institute for Neuroscience umgesetzt, wo Mäuse darauf trainiert wurden, auf einen elektrischen Impuls an der Sehrinde des Gehirns zu reagieren. Die Studie zeigte nicht nur, dass die Mäuse in nur wenigen Sitzungen lernen konnten, auf die über die Elektroden applizierte Stimulation zu reagieren, sondern auch, dass die minimale Stromschwelle, bei der die Mäuse eine Wahrnehmung meldeten, niedriger war als bei herkömmlichen metallbasierten Implantaten. Das Forschungsteam berichtete außerdem, dass die Funktionalität des Implantats über die Zeit stabil blieb, bei einer Maus sogar bis zum Ende ihrer natürlichen Lebenszeit.

Mehr über die Forschung

Die Forschungsergebnisse wurden in dem Artikel „Flexible Polymer Electrodes for Stable Prosthetic Visual Perception in Mice“ in Advanced Healthcare Materials veröffentlicht. Der Artikel wurde von Corinne Orlemann, Christian Boehler, Roxana N. Kooijmans, Bingshuo Li, Maria Asplund und Pieter R. Roelfsema verfasst. Die Autoren sind am Netherlands Institute for Neuroscience, der Universität Freiburg und der Chalmers University of Technology tätig.

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