Menschen lassen sich von einem Startup 15 Minuten lang ein Gehirnimplantat in den Schädel einsetzen

Jul 12, 2023

Emily Mullin

Elon Musks Neuralink ist nicht das einzige Unternehmen, das Fortschritte bei der Verbindung menschlicher Gehirne mit Computern macht. Im April und Mai legten Chirurgen der West Virginia University dünne Streifen eines zellophanähnlichen Materials auf das Gehirn von drei Patienten. Die daumennagelgroßen Streifen werden vom New Yorker Startup Precision Neuroscience hergestellt und sind so konzipiert, dass sie sich der Oberfläche des Gehirns anpassen, ohne dessen empfindliches Gewebe zu beschädigen.

Während der 15 Minuten, in denen die Geräte angebracht waren, konnten die Implantate die elektrische Aktivität in einem Teil der Schläfenlappen der Patienten lesen, aufzeichnen und kartieren, was bei der Verarbeitung sensorischer Eingaben hilft. Die Patienten befanden sich bereits zur Entfernung von Hirntumoren im Krankenhaus, und die Ärzte verwendeten neben Standardelektroden auch die Geräte von Precision. Obwohl es sich nur um eine kleine Pilotstudie handelt, bringt sie Precision dem Aufbau einer Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI) einen Schritt näher – einem System, das eine direkte Kommunikationsverbindung zwischen dem Gehirn und einem externen Gerät herstellt.

„Dies ist das erste Mal, dass unsere Technologie menschliche Patienten erreicht“, sagt Benjamin Rapoport, Chief Science Officer und Mitbegründer von Precision. Da die Studie ein geringes Risiko für die Patienten darstellte, benötigte das Unternehmen für die Durchführung keine Genehmigung der Food and Drug Administration. Um es im Rahmen eines BCI zu testen, ist jedoch grünes Licht von der Behörde erforderlich. (Neuralink gab kürzlich bekannt, dass es die FDA-Zulassung für Tests seines BCI an Menschen erhalten hat, gab jedoch keine Einzelheiten bekannt.)

Rapoport sagt, dass Precision in naher Zukunft plant, sein Gerät von der FDA für die Kartierung des Gehirns und für diagnostische Zwecke als Alternative zu den Arten von Elektroden, die derzeit zur Erkennung von Tumoren und epileptischen Anfällen verwendet werden, zuzulassen. Das langfristige Ziel des Unternehmens besteht jedoch darin, gelähmten Menschen bei der Kommunikation und Bewegung zu helfen. Rapoport sagt, das Unternehmen sei in Gesprächen mit der FDA, habe aber nicht gesagt, wann die BCI-Studie beginnen werde.

„Wir stehen an der Schwelle zu einer neuen Generation aussagekräftigerer Schnittstellen, mit denen wir die Funktion oder Mobilität behinderter Patienten wiederherstellen können“, sagt Peter Konrad, Lehrstuhlinhaber für Neurochirurgie am Rockefeller Neuroscience Institute der West Virginia University, der an dem Pilotprojekt beteiligt war Studie.

Precision gehört zu einer Gruppe von Konkurrenten, darunter Neuralink und Synchron, die darauf abzielen, Geräte zu kommerzialisieren, die es Menschen ermöglichen würden, Computer und Prothesen allein mit ihrem Verstand zu steuern. Akademische Forscher arbeiten seit Jahrzehnten an diesen Systemen und einige Dutzend Menschen auf der ganzen Welt wurden im Rahmen von Studien damit ausgestattet. Doch nun wollen Startups wie Precision BCIs aus Forschungslaboren in den Alltag der Menschen bringen.

BCIs erfassen und dekodieren Gehirnsignale, die in Befehle übersetzt und an die Elektronik weitergeleitet werden, die bestimmte Aktionen ausführt, beispielsweise auf einem Bildschirm tippen, einen Computercursor steuern oder einen Roboterarm bewegen. Da Neuronen elektrische Signale erzeugen, können Wissenschaftler ihre Aktivität mithilfe leitfähiger Metallelektroden aufzeichnen. Ein als Utah-Array bekanntes Gerät ist derzeit die Hauptstütze der BCI-Forschung. Das aus hartem Silizium gefertigte Array ist ein Gitter in der Größe von Abraham Lincolns Gesicht auf einem US-Penny. Es verfügt über 100 winzige hervorstehende Nadeln, die mit leitfähigem Metall beschichtet sind, die in das Gehirngewebe stechen und das Geschwätz benachbarter Neuronen aufzeichnen.

Lauren Goode

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Julian Chokkattu

Will Knight

Da das Utah-Array in das Gewebe eindringt, kann es zu Entzündungen und Narbenbildung rund um die Implantationsstelle führen, was mit der Zeit zu einer Verschlechterung der Signalqualität führt. Und die Signalqualität ist wichtig, weil sie die Leistung des BCI beeinflusst. Niemand weiß wirklich, wie lange Utah-Arrays im Gehirn überleben können; Bisher wird der Rekord von Nathan Copeland gehalten, dessen Gerät sich mittlerweile im achten Jahr befindet.

Für die Platzierung eines Utah-Arrays müssen Chirurgen außerdem eine Kraniotomie durchführen, bei der ein kleines Loch in den Schädel gebohrt wird. Es handelt sich um einen schwerwiegenden Eingriff, der Infektionen und Blutungen verursachen kann, und die Genesung dauert einen Monat oder länger. Verständlicherweise zögern viele Patienten, sich einer solchen Operation zu unterziehen, auch wenn sie dadurch ein gewisses Maß an Kommunikation oder Mobilität wiedererlangen muss.

Precision versucht, beide Probleme mit einem Gerät zu lösen, das über 1.024 Elektroden verfügt, aber ultradünn ist – etwa ein Fünftel der Dicke eines menschlichen Haares – und das Gehirngewebe nicht durchdringt. Anstelle einer Kraniotomie würde es mit einem minimalinvasiven Verfahren platziert, bei dem ein kleiner Schlitz in die Haut und den Schädel gemacht und das Implantat dann auf die äußerste Schicht des Gehirns, die Kortikalis, geschoben wird. „Schon die Idee, dem bereits geschädigten Gehirn oder Nervensystem noch mehr Schaden zuzufügen, ist ziemlich heikel“, sagt Rapoport, der auch Mitbegründer von Neuralink war. Er glaubt, dass eine Vereinfachung des Verfahrens diese Systeme für Patienten deutlich attraktiver machen würde.

Craig Mermel, Präsident und Chief Product Officer des Unternehmens, sagt, dass das Precision-Array auch genauso einfach herausgenommen werden könnte. Da sich die BCI-Technologie verbessert, möchten Patienten, die frühe Gehirnchips erhalten, möglicherweise irgendwann auf neue umsteigen. Bei Utah-Arrays können neue Geräte aufgrund von Narbengewebe normalerweise nicht im gleichen Bereich platziert werden.

Mit mehr als 1.000 Elektroden, sagt Mermel, wird das Gerät von Precision in der Lage sein, eine höhere Auflösung der Gehirnaktivität zu liefern als aktuelle Arrays. Die Arrays von Precision sind außerdem modular konzipiert. Mehrere können miteinander verbunden werden, um Gehirnsignale aus einem größeren Bereich zu sammeln. Für präzisere oder komplexere Aktionen, die über die Stimulierung grundlegender Körperbewegungen oder das Auslösen einfacher Computerfunktionen hinausgehen, „benötigen Sie eine stärkere Abdeckung der Gehirnregionen“, sagt Mermel.

Peter Brunner, außerordentlicher Professor für Neurochirurgie und biomedizinische Technik an der Washington University in St. Louis, sagt, dass das Implantat von Precision beeindruckend erscheint, es aber noch unbekannt ist, wie lange es nach der Implantation halten wird. Jedes in den Körper implantierte Gerät neigt dazu, sich mit der Zeit zu verschlechtern. „Es besteht ein Spannungsverhältnis zwischen der Verkleinerung der Dinge und der gleichzeitigen Wahrung der Robustheit gegenüber der Umgebung, der diese Geräte im menschlichen Körper ausgesetzt sind“, sagt er.

Das Gehirn verschiebt sich im Schädel, und das gilt auch für ein Implantat, sagt Brunner. Ein Oberflächenarray könnte sich möglicherweise um mehr als eines bewegen, das das Gehirn durchdringt. Er sagt, selbst eine Mikrometerverschiebung könnte verändern, von welcher Gruppe von Neuronen das Gerät aufzeichnet, was sich auf die Funktionsweise des BCI auswirken könnte.

Laut Rapoport bewegen sich alle Elektroden im Laufe der Zeit ein wenig, aber die Software von Precision, die die neuronalen Signale dekodiert, kann diese kleinen Verschiebungen ausgleichen.

Lauren Goode

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Julian Chokkattu

Will Knight

Das Unternehmen hat das Implantationsverfahren noch nicht an Menschen getestet, aber die Wissenschaftler von Precision haben es an Miniaturschweinen ausprobiert und das Gerät etwa einen Monat lang darin gelassen. Sie untersuchten das Gehirngewebe der Tiere, nachdem die Geräte entfernt worden waren, um zu bestätigen, dass kein Schaden entstanden war, sagt Rapoport.

Bei den drei menschlichen Patienten in der Pilotstudie verursachte das Gerät laut Rapoport keine Nebenwirkungen oder Schäden. Es war in der Lage, detaillierte Daten zur Gehirnaktivität aller drei zu sammeln. Bei zwei Patienten wurden Tumore aus den für die Sprache verantwortlichen Gehirnregionen entfernt und sie waren während eines Teils ihrer Eingriffe wach, sodass Ärzte kritische Sprachbereiche in Echtzeit identifizieren konnten.

Die WVU wird bis zu zwei weitere Patienten in die laufende Pilotstudie aufnehmen. Mount Sinai in New York City, Penn Medicine in Philadelphia und das Massachusetts General Hospital in Boston werden voraussichtlich bald entsprechende Studien starten.

Ein von Synchron, einem anderen BCI-Startup, hergestelltes Implantat ermöglicht es bereits einer Handvoll Menschen mit schwerer Lähmung, nur mit ihren Gedanken SMS zu schreiben, E-Mails zu schreiben und im Internet zu surfen. Für die Implantation des Geräts von Synchron, das einem Herzstent ähnelt, ist auch keine Entfernung eines Teils des Schädels erforderlich. Es wird in die Halsvene am Halsansatz eingeführt und durchgefädelt, bis es an den motorischen Kortex, das Kontrollzentrum des Gehirns, angrenzt.

Das Gerät von Neuralink dringt in das Gehirngewebe ein, das Unternehmen entwickelt jedoch ein minimalinvasives Verfahren, bei dem ein nähmaschinenähnlicher Roboter eingesetzt wird, um es in das Gehirn einzuführen. Es ist unklar, ob Neuralinks erster Versuch am Menschen dieses neue Verfahren beinhalten wird. Neuralink antwortete nicht auf eine E-Mail-Anfrage von WIRED.

Akademische Labore testen auch neuartige Konzepte für weniger invasive Implantate, darunter „Neurokörner“ in der Größe von Salz, die über die Gehirnoberfläche verteilt werden könnten, oder ein injizierbares Gel, das sich im Gehirn zu einem leitfähigen Polymer verfestigt.

Jen French, die 1998 bei einem Snowboardunfall gelähmt war, jetzt aber mithilfe eines Rückenmarkimplantats laufen kann, ist zuversichtlich, was die nächste Welle von BCIs angeht. „Wie so vielen Menschen mit chronischen neurologischen Erkrankungen wird uns gesagt, dass es keine Heilung gibt“, sagt French, Geschäftsführer und Gründer von Neurotech Network, einer gemeinnützigen Interessenvertretung. Auch wenn die neue Generation minimalinvasiver Geräte keine Heilung verspricht, könnten sie den Menschen doch dabei helfen, wieder sinnvolle Funktionen in ihrem täglichen Leben zu erlangen. „Es ist aufregend, all diese Unternehmen zu sehen“, sagt French, „denn für Menschen mit gelebter Erfahrung bedeutet das, dass wir dem Zugang zur Technologie einen Schritt näher gekommen sind.“