Welche chemischen Materialien werden in der bahnbrechenden Gehirn-Computer-Schnittstelle verwendet?

Am 20. Februar erklärte der amerikanische Unternehmer Musk, dass sich der erste Proband offenbar vollständig erholt habe, ohne dass es zu Nebenwirkungen gekommen sei, nachdem sein Unternehmen „Neuralink“, eine Firma für Gehirn-Computer-Schnittstellen, die erste menschliche Gehirnimplantation durchgeführt habe. „Der Proband kann die Maus auf dem Computerbildschirm nun allein durch Denken bewegen.“ Dieses Experiment ist zweifellos von großer Bedeutung für die Menschheit. Durch die Implantation von Elektroden, Chips und anderen Geräten in das menschliche Gehirn wird ein Kommunikations- und Steuerungskanal eingerichtet, der das menschliche Gehirn mit externen Geräten verbindet. Dadurch wird das Ziel erreicht, externe Geräte direkt mit bioelektrischen Signalen des Gehirns zu steuern oder die Gehirnaktivität mit externen Reizen zu regulieren. Dies wird starke Garantien für die zukünftige Mensch-Computer-Interaktion bieten und eine neue Richtung für die Lösung einiger medizinischer Probleme einschlagen.

Einfach ausgedrückt kann eine Gehirn-Computer-Schnittstelle das menschliche Gehirn mit externen Geräten verbinden, sodass neuronale Signale von Sensoren erfasst und in elektrische Signale usw. umgewandelt werden können und die Ideen, die das Gehirn denkt oder ausprobiert, von elektronischen Geräten in Form von Text usw. ausgegeben werden können, um einen Informationsaustausch zwischen dem Gehirn und der Maschine zu erreichen. Es gibt zwei Arten von Gehirn-Computer-Schnittstellen: invasiv und nicht-invasiv. Invasiv bedeutet, dass dem Patienten mittels einer Kraniotomie Elektrodensensoren in die Großhirnrinde unter dem Schädel implantiert werden, wobei der Schädel als Schnittstelle zur Informationsumwandlung dient. Bei der nichtinvasiven Methode werden Sensoren außen am Schädel oder an der Kopfhaut des Patienten angebracht, erfassen durch Stimulation elektrische Signale und analysieren chemische Sensorsignale, wodurch eine Informationsübertragung zwischen Gehirn und Computer erreicht wird.

Die Gehirn-Computer-Schnittstelle ermöglicht einen Hochdurchsatz-Informationsaustausch zwischen dem menschlichen Gehirn und externen mechanischen Geräten. Seit mehr als 50 Jahren untersuchen Neurophysiologen und Chemiker die Gehirnaktivität mithilfe einer Vielzahl von Elektroden und Sensormaterialien, von denen viele in der chemischen Forschung üblich sind. Lassen Sie uns nun kurz die Anwendungen einiger chemischer Materialien in der Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie zusammenfassen und analysieren, warum sie in diesem Bereich Aufmerksamkeit erregt haben.

Kohlenstoff-Nanomaterialien

Kohlenstoffnanomaterialien können in nulldimensionale Kohlenstoffmaterialien (Fullerene und Nanodiamanten), eindimensionale Kohlenstoffmaterialien (Kohlenstoffnanoröhren) und zweidimensionale Materialien (Graphen) unterteilt werden. Der Hauptgrund für die Anwendung dieser Materialien in Gehirn-Computer-Schnittstellen besteht darin, dass Kohlenstoffmaterialien biokompatibel und ungiftig sind, über hervorragende Ladungsinjektionsfähigkeiten und eine hohe Leitfähigkeit verfügen und Hochdurchsatz-Elektrodenschnittstellen ermöglichen, um die Signalaufzeichnungsqualität und Stimulationseffizienz zu verbessern. Das geringe Gewicht, die Porosität, Flexibilität, Leitfähigkeit und Stabilität von Kohlenstoff-Nanorahmen machen sie zu nützlichen Werkzeugen für die neuronale Gewebezüchtung und können die Flexibilität von Elektroden verbessern. Ein Forschungsteam der Universität Melbourne hat chemisch modifizierte Nanodiamanten gezielt auf Mikroelektroden aus Kohlenstofffasern aufgebracht, um sie als Sensoren für die neuronale Stimulation des Gehirns, die hochwertige Aufzeichnung neuronaler Signale und die Erkennung von Neurotransmittern zu nutzen.

Hydrogel

Hydrogel ist ein typisches weiches und feuchtes Material mit einer einzigartigen dreidimensionalen hydrophilen Netzwerkstruktur und ist gewebefreundlich. Hydrogele wurden aufgrund ihrer einzigartigen mechanischen Eigenschaften, Biokompatibilität, Ionenleitfähigkeit und strukturellen Gestaltbarkeit umfassend untersucht und verwendet. Hydrogele können gute Träger für eine Vielzahl anorganischer Nanomaterialien sein und so zur Herstellung von Verbundwerkstoffen mit besserer Leistung führen. Hydrogele mit guter Leitfähigkeit, Dehnbarkeit, Reizempfindlichkeit und hoher Zähigkeit können in tragbaren Sensoren, Gehirn-Computer-Schnittstellenelektroden usw. verwendet werden. Durch das Sammeln und Analysieren von EEG-Signalen bieten Gehirn-Computer-Schnittstellen Zugriff auf eine Fülle von Echtzeit-Gehirninformationen, einschließlich Gehirnaktivität und Geisteszustand. Das Forschungsteam von Wang Weiwei an der Universität Tianjin hat erfolgreich eine flexible Elektrode auf Basis eines Elastomer-Hydrogel-Verbunds entwickelt, die EEG-Signale effizient erfassen und in der Gehirn-Computer-Schnittstellenforschung eingesetzt werden kann.

Organischer elektrochemischer Transistor

Organische elektrochemische Transistoren sind Halbleitermaterialien mit hervorragenden ionischen und elektronischen Leitfähigkeitseigenschaften. Durch die Ionen-Elektronen-Wechselwirkung können sie als interaktive Schnittstelle zwischen Biologie und Elektronik dienen. Sie können die Konzentrationsänderungen von Elektronen und Löchern, die durch elektrochemische Reaktionen erzeugt werden, direkt erfassen und erreichen dadurch eine hochempfindliche Signalerkennung. Dies macht es zu einer praktikablen Option für den Aufbau von Gehirn-Computer-Schnittstellensystemen. Das Team von Peng Huisheng an der Universität Fudan kombinierte Kohlenstoffnanoröhrenfasern mit organischen Halbleitermaterialien, um flexible, implantierbare faserförmige organische elektrochemische Transistoren herzustellen, die Spurenveränderungen in chemischen Substanzen im lebenden Organismus stabil erkennen können und eine gute Biokompatibilität und Stabilität aufweisen. Dank seiner hervorragenden Erfassung bioelektronischer chemischer Reaktionssignale kann das Gerät menschliches Wasserstoffperoxid, Glukose, Dopamin, Glutamat usw. erkennen und weist dabei eine hohe Empfindlichkeit und Stabilität auf. Experimente zur Immunfluoreszenz im Gehirn zeigten, dass aufgrund des Geräts keine entzündliche Reaktion auftrat und dass die Sicherheitsleistung gut war.

Die Gehirn-Computer-Schnittstelle ist eine wissenschaftliche Technologie mit bahnbrechender Forschungsbedeutung. Die damit verbundenen Forschungsrisiken müssen jedoch weiterhin ernst genommen werden und ihre Sicherheit und Gerätestabilität müssen im Laufe der Zeit noch überprüft werden. Derzeit sollte die Forschung meines Landes auf diesem Gebiet aktiv in die internationale Praxis integriert werden, und in Zukunft wird es einen breiten Forschungsspielraum geben.

(Mo Zunli ist Professor und Doktorvater an der Northwest Normal University, und Lv Wenbo ist Masterstudent an der Northwest Normal University)