HirnimplantateHirnforscher setzt auf Graphen für Neurochips

Blinde mit Hirnprothesen sehend machen? Solche Träume verfolgt Jose A. Garrido. Im Interview erklärt der Münchner Hirnforscher, warum Graphen Nervensignale so gut leitet. von Jan Dönges

Eine Ganglienzelle der Retina wächst auf Graphen

Eine Ganglienzelle der Retina wächst auf Graphen  |  © Lucas Hess/Jose Garrido

Frage: Herr Garrido, das Graphen – eine ein Atom dicke Schicht aus Kohlenstoff – wird seit Jahren als Ersatz für Silizium in Computerchips gepriesen. Bislang steht diese Revolution allerdings noch aus.

Jose Garrido: Das stimmt. Es gab einen gewissen Hype, vor allem von Seiten der Elektronikindustrie. Wir konzentrieren uns jedoch auf einen ganz anderen Aspekt, nämlich den Bau von Neuroprothesen und Hirnimplantaten. Dazu zählen etwa Netzhautimplantate, die Zellen der Retina je nach Lichteinfall so stimulieren, dass blinde Patienten einen Teil ihrer Sehfähigkeit zurückerlangen. Ein anderes Anwendungsgebiet ist die Steuerung künstlicher Gliedmaßen mit Hilfe von Hirnsignalen, die man direkt auf der Großhirnrinde auffängt.

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Frage: Hirnprothesen, die heute schon erprobt werden, basieren meist auf Silizium. Warum setzen Sie auf Graphen?

Jose Antonio Garrido
Jose Antonio Garrido

Der Forscher vom Walter-Schottky-Institut der TU München beschäftigt sich seit Jahren mit Graphen in der Biosensorik. Die Hirnimplantate entwickelt seine Gruppe im Rahmen des von der EU geförderten Projekts NEUROCARE gemeinsam mit Wissenschaftlern unter anderem aus Deutschland, Frankreich, der Schweiz.

Garrido: Materialien, die im Körper eingesetzt werden, müssen chemisch stabil sein, das heißt, sie dürfen sich im Gewebe nicht auflösen. Gleichzeitig müssen sie gut verträglich sein – und alle Anforderungen erfüllen, die man an Biosensoren stellt. Graphen schneidet in sämtlichen Punkten hervorragend ab und übertrifft die alternativen Materialien vielfach sogar.

Frage: Sie arbeiten dabei zwangsläufig im Nanobereich. Welche Rolle spielt es, dass Graphenfolien nur ein Atom dick sind?

Garrido: Es hat sich gezeigt, dass starre Implantate aus Silizium und Metallen schnell zu Problemen führen, weil sie das Gewebe verletzen oder vom Körper attackiert werden. Außerdem können sie keinen guten Kontakt zu den Zellen herstellen. Die ultradünnen Graphen-Schichten sind dagegen biegsam. Ähnliches findet man sonst nur in der organischen Elektronik, allerdings bei deutlich schlechteren elektrischen Eigenschaften.

Frage: Wie sieht so ein Graphen-Hirnimplantat aus?

Garrido: Das wesentliche Element sind "solution-gated field-effect transistors", also Bauteile, bei denen winzige Spannungsveränderungen in der sie umgebenden Lösung beeinflussen, wie viel Strom durch sie fließt. Feuert eine Nervenzelle, können wir das an dieser Veränderung in der Leitfähigkeit ablesen. Das Verfahren haben wir im Labor erprobt, indem wir Herzzellen auf den Transistoren wachsen ließen. Dabei zeigte sich, dass sie bereits in diesem frühen Entwicklungsstand sehr, sehr geringe Signale auffangen können und gleichzeitig nur wenig Rauschen aufweisen. Der Grund dafür sind dieselben Eigenschaften, die das Graphen in der Computertechnologie so begehrt machen: Elektronen können sich wegen der bienenwabenartigen Struktur extrem schnell zwischen den Kohlenstoffatomen bewegen. Dadurch reagiert das Material sehr empfindlich auf die Veränderungen in der Umgebung.

Erschienen auf spektrum.de

Erschienen auf spektrum.de  |  © Screenshot ZEIT ONLINE

Frage: Mit einem solchen Transistor könnte man Bewegungsreize aus den motorischen Zentren der Großhirnrinde ableiten. Für ein komplettes Netzhaut- oder Cochlea-Implantat benötigt man auch den umgekehrten Weg: die Reizung von außen.

Garrido: Das ist richtig. Wir haben uns bisher nur auf die Sensorkomponente konzentriert und forschen an Konzepten zur Stimulation von Zellen. Es gibt keine prinzipiellen Gründe, warum man Graphen nicht auch dafür einsetzen sollte. Unsere Vision ist es, ein Interface zu konstruieren, das beide Aufgaben auf kleinstem Raum vereint. Mit Hilfe von Graphen würden wir eine Zelle sowohl reizen als auch das Resultat kontrollieren. Ohne diesen Rückkopplungsmechanismus müsste man völlig "blind" Impulse in die Zelle schicken, was die Leistungsfähigkeit und Verträglichkeit eines solchen Geräts stark herabsetzt.

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