In der modernen Neurowissenschaft und Medizintechnik eröffnen ultra-niedrigenergie, miniaturisierte electrophysiologische Elektroniklösungen völlig neue Perspektiven für die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine. Insbesondere bei der Behandlung neurologischer Erkrankungen zeichnet sich zunehmend ab, dass nicht nur einzelne Regionen des Gehirns, sondern vernetzte Schaltkreise im Fokus einer Intervention stehen müssen. Herkömmliche Geräte stoßen hierbei an ihre Grenzen, da sie groß, stromintensiv und meist nicht parallel skalierbar sind. Eine neue Generation von neuralen Schnittstellen setzt genau hier an und stellt eine bahnbrechende Innovation dar, die sowohl die klinische Praxis als auch die Forschung deutlich voranbringen kann. Die Herausforderung bei der Entwicklung moderner neuraler Schnittstellen liegt darin, die Komplexität des Gehirns auf der Ebene zusammenwirkender Regionen abzubilden und aktiv zu beeinflussen.
Viele neurologische Störungen wie Parkinson, Epilepsie oder Depressionen manifestieren sich nicht allein in einem isolierten Bereich, sondern resultieren aus einer Dysregulation ganzer neuronaler Netzwerke. Therapeutische Ansätze, die mehrere Hirnareale simultan überwachen und gezielt stimulieren können, versprechen daher eine effektive Behandlung. Aktuellige Systeme zur Tiefenhirnstimulation beispielsweise konzentrieren sich meist auf einzelne Areale und sind aufgrund ihrer Größe und Energieanforderungen nur eingeschränkt für eine parallele Vernetzung geeignet. Ultra-niedrigenergetische, miniaturisierte electrophysiologische Elektronik zielt darauf ab, diesen Engpass zu überwinden, indem sie die physische Größe der Implantate stark reduziert und gleichzeitig deren Energieverbrauch drastisch minimiert. Durch den Verzicht auf lokal integrierte Batterien und den Einsatz drahtloser Energieübertragung kann der operative Aufwand bei der Implantation verringert werden.
Ein kleineres Implantat bedeutet weniger Gewebeschädigungen, was wiederum Komplikationen und Heilungszeiten reduziert. Darüber hinaus ermöglicht die Miniaturisierung das gleichzeitige Einbringen mehrerer Devices, die verteilt in verschiedenen Hirnregionen arbeiten und so ein umfassendes Bild neuronaler Schaltkreise liefern. Die technische Realisierung dieser Vision erfolgt unter anderem durch speziell entwickelte Chips mit außergewöhnlich niedrigem Energieverbrauch und kompakter Bauweise. Moderne Fertigungstechnologien wie die 55nm-Prozesstechnologie von TSMC spielen hier eine wichtige Rolle. Diese Chips sind in der Lage, Signale mit hoher Bandbreite zu verarbeiten, Spikes und lokale Feldpotentiale simultan aufzuzeichnen und biphasische Stimulationsimpulse präzise zu senden.
Dabei schaffen sie es, mit einer Gesamtleistungsaufnahme von nur etwa 1,1 Milliwatt deutlich unter den bisher üblichen Werten von 10 Milliwatt und mehr zu bleiben. An Bord solcher Chips befinden sich fortschrittliche Funktionen wie digitale Signalverarbeitung, Spike-Erkennung und Kanalauswahl, die eine effiziente Datenreduktion ermöglichen und so die Bandbreite der drahtlosen Übertragung auf ein Minimum reduzieren. Dies ist besonders wichtig, um den Energiebedarf für die Funkkommunikation gering zu halten und die Zuverlässigkeit im Betrieb in biologischem Gewebe zu gewährleisten. Die Flexibilität der Schnittstellen erlaubt zudem eine einfache Integration mit mikrokontrollerbasierten Systemen und einer Vielzahl von drahtlosen Netzwerktechnologien. Das Potenzial dieser Technologien erstreckt sich nicht nur auf therapeutische Anwendungen, sondern eröffnet auch neue Forschungsgebiete etwa im Bereich der Hirnforschung, kognitiven Neurowissenschaft und Brain-Computer-Interfaces.
Die Fähigkeit, multiple Hirnregionen gleichzeitig mit hochauflösenden Messungen zu erfassen und zu modulieren, könnte tiefere Einsichten in neuronale Mechanismen und deren Dynamik ermöglichen. Auch die Entwicklung adaptiver Therapiesysteme, die sich in Echtzeit an Veränderungen im neuronalen Netzwerk anpassen, wäre damit denkbar. Die praktische Umsetzung und klinische Translation dieser ultra-niedrigenergetischen Miniaturelektronik erfordert jedoch interdisziplinäre Zusammenarbeit. Forscherteams, die sich auf die drahtlose Energieübertragung, biokompatible Implantatgestaltung und datenbasierte Signalverarbeitung spezialisieren, sind gefragt, um die Komponenten harmonisch miteinander zu verbinden. Die Zielsetzung ist ein kompaktes, zuverlässiges und skalierbares System, das langfristig ohne externe Batterien auskommt und direkt mit dem Gehirngewebe kommunizieren kann.
Starfish Neuroscience verfolgt mit seinem neuesten Entwicklungsprojekt genau diese Mission. Das Unternehmen arbeitet gemeinsam mit spezialisierten Partnern wie dem Forschungszentrum imec an der Realisierung eines maßgeschneiderten Chips mit 32 Elektroden und 16 gleichzeitig aktiven Kanälen, der sowohl Aufzeichnung als auch Stimulation mit bislang unerreichter Leistungs- und Energieeffizienz ermöglicht. Das Design berücksichtigt zudem On-Chip-Funktionen wie Impedanzmessung und Monitoring der Stimulationsspannung, um die Sicherheit und Effektivität der Anwendung zu erhöhen. Besonders spannend ist das Potenzial, die Implantate komplett kabellos und batteriefrei funktionieren zu lassen, indem sie externe Energiesender nutzen. Diese Technologie verspricht klinischen Nutzwert jenseits experimenteller Labors und könnte beispielsweise bei Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen, psychischen Störungen oder chronischen Schmerzen zum Einsatz kommen.
Zudem eröffnet die flexible Architektur des Chips Anwendungen außerhalb der Medizin, beispielsweise bei der Erforschung neuronaler Netzwerke in Modelltieren, bei der Entwicklung natürlicher Schnittstellen für Prothesen oder in der neuromorphen Robotik. Die Markteinführung erster solcher Chips wird für das Jahr 2025 erwartet. Bereits heute lädt Starfish Neuroscience Forscher und Entwickler dazu ein, Kollaborationen zu initiieren und gemeinsam die Schnittstellen der nächsten Generation zu gestalten. Insbesondere Expertise im Bereich drahtloser Datenübertragung und Energieversorgung ist gesucht, um die Gesamtsysteme zu vervollständigen und robust an die Anforderungen der realen Anwendung anzupassen. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass ultra-niedrigenergie, miniaturisierte electrophysiologische Elektronik einen entscheidenden Innovationsschub für neuronale Schnittstellen markiert.
