Memristoren versprechen genauere und erschschwinglichere Neuroprothesen
Die Überwachung der neuronalen Zellaktivität ist für die Neurowissenschaften und die Entwicklung von Neuroprothesen grundlegend. Doch ein hartnäckiges Problem ist, dass die Vorrichtung in der Lage sein muss, Neuraldaten in Echtzeit effektiv zu verarbeiten. Doch hier gibt es restriktive Anforderungen an Bandbreite, Energie und Rechenkapazitäten. Die Lösung zu diesem Problem könnte bei der Nutzung von Memristoren liegen. Dieser Ansicht sind jedenfalls die Wissenschaftler, die am RAMP-Projekt (Real neurons-nanoelectronics Architecture with Memristive Plasticity) arbeiten. Memristoren sind elektrische Bauteile, die den Stromfluss in einer Schaltung begrenzen oder regulieren und sich an das Ladungsvolumen erinnern, das durch sie hindurchgeflossen ist und Daten auch bei abgeschaltetem Strom beibehalten. Sie spielen eine ähnliche Rolle wie biologische Synapsen und besitzen die intrinsische Fähigkeit, Rechenoperationen und Informationsspeicherung bei stark herunterskalierten Volumen und Leistungsverlusten gleichzeitig auszuführen. Leitautor Isha Gupta, ein postgraduierter Forschungsstudent an der Universität Southampton kommentiert: „Unsere Arbeit kann einen großen Beitrag dazu leisten, das Verständnis der Neurowissenschaften zu erweitern, indem Neuroprothesen und bioelektronische Heilmittel entwickelt werden. Dazu werden Werkzeuge gebaut, die für die Interpretation von Big Data auf effektivere Weise ausschlaggebend sind.“ Das Forschungsteam entwickelte einen sogenannten Memristive Integrative Sensor (MIS) im Nanomaßstab, in den sie eine Reihe von Spannungszeiten eingaben, der die neuronale elektrische Aktivität replizierte. Die Metalloxid-MIS, die sich wie Synapsen des Gehirns verhalten, konnten nachweislich neuronale Spiking-Aktivitäten kodieren und komprimieren (bis zu 200 Mal), die von einem Multielektroden-Array aufgezeichnet wurden. Neben der Lösung von Zwängen hinsichtlich der Bandbreite, behaupten die Forscher, dass dieser Ansatz sehr stromsparend ist, da der Strom, der für jeden Aufnahmekanal benötigt wird, im Vergleich zu aktuellen besten Verfahren 100-mal geringer war. „Wir sind begeistert, dass wir zeigen konnten, dass diese neuen nanoskaligen Vorrichtungen, trotz ihrer einfachen Architektur, eine äußerst reichhaltige Dynamik besitzen, die über die offensichtlichen Speicheranwendungen hinaus nutzbar gemacht werden kann, um grundlegende Einschränkungen bei Bandbreite und Strom zu bewältigen. Diese erlauben es derzeit nämlich nicht, neurale Schnittstellen über 1 000 Aufnahmekanäle hinaus zu skalieren“, sagte Ko-Autor Dr. Themis Prodromakis. Die von RAMP-Team unternommene Arbeit stellt einen vielversprechenden Fortschritt dar, um verschiedene Krankheiten und Zustände zu behandeln, für die die Entwicklung von anspruchsvollen Neuroprothesen verspricht, die Symptome erheblich zu reduzieren und die Lebensqualität der Patienten zu verbessern. Eine der größten Herausforderungen in diesem Bereich war es sicherzustellen, dass Neuroprothesen sich so anfühlen müssen, als ob sie zum Körper des Patienten gehören oder, bei Prothesen, die in oder auf bestimmten Körperteilen angebracht sind, nicht invasiv sind. Dank des RAMP-Konsortiums konnten Ingenieure aus Southampton sich mit Biologen der Universität Padua, Italien und dem Max Planck Institut, Deutschland, verbinden, die die Anlagen am Southampton Nanofabrication Centre benutzen. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht’. Das RAMP-Projekt wurde mit mehr als 2 Mio. EUR an EU-Mitteln unterstützt und endete im Oktober 2016. Weitere Informationen finden Sie auf der: Projektwebsite
Länder
Italien