Graphen-Revolution: Wie Manchester das menschliche Gehirn hackt!

• Durchbruch bei der Erforschung von Graphen durch Andre Geim und Konstantin Novoselov an der Universität Manchester im Jahr 2004. Graphen hat in den letzten zwanzig Jahren Anwendungen in Batterien, Sensoren, Halbleitern, Klimaanlagen und Kopfhörern gefunden. Das InBrain-Implantat, ein Neuroimplantat aus Graphen, wurde erfolgreich während einer Hirnoperation an der Universität Manchester getestet. Das InBrain-Gerät ist flexibler als herkömmliche Elektroden und kann gesunde und krebsartige Hirngewebe unterscheiden. Ziel der InBrain-Studie ist es, die Sicherheit von Graphen im menschlichen Gehirn zu demonstrieren und eine präzisere Stimulation für neurologische Störungen wie Parkinson zu ermöglichen.

Im Jahr 2004 gelang Andre Geim und Konstantin Novoselov an der Universität Manchester in England ein Durchbruch bei der Erforschung von Graphen. Bei Graphen handelt es sich um eine flache Form von Kohlenstoff, bestehend aus einer einzigen Schicht von Atomen – es ist das dünnste bekannte Material und gleichzeitig eines der stärksten. Diese bahnbrechende Entdeckung, die als Wundermaterial gefeiert wurde, brachte Geim und Novoselov die höchste wissenschaftliche Anerkennung ein.

Zwanzig Jahre später hat Graphen seinen Weg in Batterien, Sensoren, Halbleiter, Klimaanlagen und sogar Kopfhörer gefunden und wird nun auch an menschlichen Gehirnen getestet. Heute Morgen platzierten Chirurgen an der Universität Manchester ein dünnes, Scotch-Tape-ähnliches Implantat aus Graphen vorübergehend auf der Hirnrinde eines Patienten, der zu diesem Zeitpunkt bereits eine Hirnoperation zur Entfernung eines Tumors durchlief. Der Patient stimmte dem Experiment zu, welches von der spanischen Firma InBrain Neuroelectronics vorangetrieben wurde.

Implantierte Innovation

Dieses von InBrain hergestellte Gerät ist eine Art von Neuroimplantat, das Hirnsignale sammelt und dekodiert. InBrain gehört zu mehreren Unternehmen, die an der Entwicklung von Gehirn-Computer-Interfaces (BCIs) arbeiten. „Wir streben an, ein kommerzielles Produkt zu haben, das Gehirndekodierung und Gehirnkartierung durchführen kann und bei einer Vielzahl von Störungen eingesetzt werden könnte,“ so Carolina Aguilar, CEO und Mitbegründerin von InBrain. Die Technik der Gehirnkartierung hilft bei der Planung von Gehirnoperationen. Dabei werden Elektroden auf das Gehirn gesetzt, um Bereiche für Motorik und Sprachfunktionen zu lokalisieren, sodass ein Tumor sicher entfernt werden kann, ohne die Bewegungs- oder Sprachfähigkeiten des Patienten zu beeinträchtigen.

Während der heutigen Operation war das Implantat 79 Minuten lang installiert. In dieser Zeit beobachteten die Forscher, dass das InBrain-Gerät gesunde und krebsartige Hirngewebe mit mikrometergenauer Präzision unterscheiden konnte. Das University of Manchester ist der Ort der ersten Studien am Menschen von InBrain, bei der das Graphen-Gerät an bis zu zehn Patienten getestet wird, die bereits eine Gehirnoperation aus anderen Gründen durchlaufen. Das Ziel der Studie, die von der Europäischen Kommission finanziert wird, ist es, die Sicherheit von Graphen in direktem Kontakt mit dem menschlichen Gehirn zu demonstrieren.

Flexibilität und Präzision

David Coope, der Neurochirurg, der das Verfahren durchführte, betont, dass das InBrain-Gerät flexibler ist als herkömmliche Elektroden, was es ermöglicht, es besser an die Oberfläche des Gehirns anzupassen. „Aus chirurgischer Sicht bedeutet das, dass wir es wahrscheinlich an Stellen platzieren können, an denen es schwierig wäre, eine herkömmliche Elektrode zu platzieren,“ sagt er. Die üblichen Elektroden für die Gehirnkartierung bestehen aus Platin-Iridium-Scheiben, die in Silikon eingebettet sind. „Daher sind sie relativ steif,“ erklärt Coope.

Im Gegensatz dazu ist das InBrain-Gerät ein transparentes Blatt, das auf der Gehirnoberfläche liegt. Halb so dick wie ein menschliches Haar, enthält es 48 winzige dekodierende Graphenelektroden, die nur 25 Mikrometer groß sind. Das Unternehmen entwickelt auch eine zweite Art von Implantat, das das Gehirngewebe durchdringt und präzise elektrische Stimulation liefern kann. Allein das Oberflächengerät kann für die Gehirnkartierung verwendet werden, aber Aguilar sagt, dass das Unternehmen daran arbeitet, die beiden Geräte zu integrieren und plant, sie schließlich zusammen als Behandlung für neurologische Störungen wie Parkinson zu testen.

Tiefenhirnstimulation, oder DBS, bei der eine nadelähnliche Metall-Elektrode in das Hirngewebe eingebracht wird, wird derzeit bei Parkinson, Epilepsie und einigen anderen Bedingungen verwendet. Sie liefert elektrische Impulse, um die unregelmäßigen Signale im Gehirn, die Tremor und andere Bewegungssymptome verursachen, zu unterbrechen. Derzeit stimulieren die meisten DBS-Systeme konstant, unabhängig davon, ob ein Patient Symptome zeigt oder nicht. Mit der Zeit kann sich das Nervensystem an diese konstante Stimulation anpassen und die Wirkung kann nachlassen.

InBrain strebt eine Verbesserung der DBS an, indem es sein Oberflächengerät zur Erkennung von Biomarkern verwendet, die mit der Motorik zusammenhängen, und dann nur bei Bedarf Stimulation mit dem durchdringenden Gerät liefert. Traditionell wurden Metalle für Elektroden verwendet, da sie eine hohe Leitfähigkeit besitzen. Diese Eigenart macht sie gut darin, Hirnaktivität zu erfassen – essentially bursts of electricity emitted when neurons communicate.

Graphen als Hoffnungsträger

Christina Tringides, Assistenzprofessorin für Materialwissenschaft und Nanoengineering an der Rice University, die nicht an InBrain beteiligt ist, weist darauf hin, dass Metallelektroden auch ihre Nachteile haben. Vor allem sind sie spröde und steif, während das Gehirn weich und gel-artig ist. “Es ist wie ein Löffel in eine Schale Wackelpudding oder ein Messer in einen Block Tofu zu stecken,” sagt sie. Das Gehirn pulsiert mit jedem Atemzug, aber Metallelektroden bleiben an ihrem Platz. Diese Diskrepanz kann Entzündungen oder Narbenbildung verursachen. Im Laufe der Zeit können diese Probleme die Fähigkeit zur Erfassung neuraler Signale behindern. Außerdem oxidieren Metalle in dem wässrigen Milieu des Gehirns, was sie mit der Zeit zerfallen lässt.

Idealerweise würden Elektroden, die im Gehirn platziert werden, lange halten, um wiederholte Operationen zu minimieren. Graphen ist ein ausgezeichneter Leiter und oxidiert nicht. Aguilar sagt, dass das InBrain-Gerät 200 Mal mehr Ladung in das Gehirn injizieren kann als derzeitige DBS-Systeme. Das Oberflächenarray des Unternehmens hat außerdem 12 stimulierende Elektroden, die aus 8.400 Graphen-Mikroinseln bestehen und fokussierte Stimulation liefern können.

In dieser ersten klinischen Studie am Menschen wird die Stimulation jedoch nicht aktiviert. Aguilar sagt, dass die kommerzielle Version des Geräts nahe zu 100 Elektroden haben wird, und das Unternehmen entwickelt auch eines mit 1.024 Elektroden. Je mehr Elektroden vorhanden sind, desto mehr Daten können aus dem Gehirn aufgezeichnet werden. Da die Graphenpunkte so klein sind, kann das Gerät auch sehr präzise Stimulation liefern. Aguilar sagt, dass die Schnittstellen des Unternehmens auch bei der Behandlung von Schlaganfall- und Epilepsiepatienten Anwendung finden könnten.

Zunächst muss InBrain jedoch seine anfängliche Sicherheitsstudie bestehen. „Dies ist das erste Mal, dass Graphen in das Gehirn eines Menschen eingebracht wird,“ sagt Aguilar. „Wir hoffen daher auf ein großartiges Ergebnis.“