Chip kommuniziert mit Nervenzellen

Forscher von Infineon Technologies haben in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried durch einen neu entwickelten Bio-Sensorchip direkten Kontakt zu lebenden Nervenzellen hergestellt. Der »Neuro-Chip«, der jetzt auf der internationalen Chipkonferenz ISSCC in San Francisco präsentiert wurde, nimmt elektrische Signale von lebenden Nervenzellen und Zellverbänden auf, verarbeitet sie und gibt sie an ein Computersystem weiter.

»Der Chip ist vorerst für den Einsatz in der neurobiologischen Grundlagenforschung vorgesehen, erläutert Roland Thewes, Leiter der Grundlagenforschung zu elektronischen Biochips bei Infineon, gegenüber den VDI nachrichten. »Einige der dortigen Forschungsfelder befassen sich mit der Untersuchung von toxischen oder pharmakologisch wirksamen Stoffen. Bei entsprechenden Ergebnissen sind langfristig und wir sprechen hier von einem Zeitraum von weit mehr als fünf Jahren Anwendungen im Bereich der pharmakologischen Wirkstoffsuche durchaus denkbar.«

Auf einer Fläche von nur 1 mm2 integriert der Chip ein Feld von 128 x 128 Sensoren. Unter jedem Sensor sind hoch empfindliche elektronische Schaltungen integriert, mit denen die extrem schwachen elektrischen Signale der Nervenzellen verstärkt und aufbereitet werden. Laut Infineon ist die Sensordichte des jetzt vorgestellten Chips fast 300-mal größer als die konkurrierender Systeme, die z. B. auf Glas aufgedampfte Metallbahnen zur Kontaktierung von Nervenzellen einsetzen. Anstatt wie bislang einzelne Zellen sequenziell zu untersuchen, vermisst Infineons Neuro-Chip auf seinem Sensorfeld mehrere Zellen parallel. Statistisch signifikante Daten fallen damit in deutlich kürzerer Zeit an. Pro Sekunde nimmt er mehr als 2000 Einzelwerte für jeden der rund 16 400 Sensoren auf, die in ihrem zeitlichen Verlauf dargestellt werden. Die Forscher können damit erkennen, wie ganze Zellverbände über einen festgelegten Zeitraum auf elektrische Stimulation oder bestimmte Substanzen reagieren.

Thewes: »Der Neuro-Chip wird in einem Standard-CMOS-Fertigungsprozess hergestellt, der die Produktion in großen Stückzahlen zulässt. Er wurde um spezielle Prozessierungsschritte erweitert, um die kapazitiv arbeitenden Sensoren bereitzustellen.« Dabei sind extrem kleinen Zellsignale zu detektieren: Spannungsänderungen, deren Spitzenwerte je nach Zelltyp zwischen 100 µV und 5 mV liegen. Eine Übertragung dieser technischen Leistung auf andere Bereiche, z. B. in der Kommunikationstechnik, hält Thewes für schwierig: »Der Chip ist in der Lage sehr kleine elektrische Spannungen aus elektrolytischen Lösungen direkt an seiner Oberfläche mit sehr großer Ortsauflösung aufzunehmen. Optimiert wurde er zur Aufnahme der elektrischen Signale von Nervengewebe. Erforderlich ist dabei der unmittelbare Kontakt zu den Nervenzellen mit einem Abstand von nur wenigen 10 Millionstel Millimetern.«

Und die kommerzielle Verwertung? Hier setzt Thewes auf Zeit: »Der Chip ist kurz- bis mittelfristig als Forschungswerkzeug für die neurobiologische Grundlagenforschung geplant. Die Erfahrungen, die in diesem Einsatz gewonnen werden, werden in unsere Überlegungen zur Kommerzialisierung einfließen.«