Entwicklung auf lange Sicht

Ungefähr 354 Millionen Menschen weltweit sind sehbehindert, rund 40 Millionen sind blind. Nur etwa die Hälfte der erblindeten Patientinnen und Patienten profitiert von gängigen Behandlungsmethoden. Die Neuroprothetik kann das Sehvermögen zwar wiederherstellen, aber bisher fehlte die Technologie, um visuelle Wahrnehmungen über längere Zeiträume hinweg zu ermöglichen. In einem internationalen Forschungskonsortium wollen Dr. Maria Asplund und Dr. Patrick Ruther vom Institut für Mikrosystemtechnik und vom Zentrum BrainLinks-BrainTools der Universität Freiburg eine Neuroprothese entwickeln, die mittels maschinellen Lernens das Sehvermögen langfristig verbessern soll. Die Europäische Kommission fördert das Projekt „NeuraViPeR“ im Förderprogramm „Horizon 2020“ ab dem 1. September 2020 für vier Jahre mit insgesamt knapp vier Millionen Euro. Davon erhält das Freiburger Projektteam 692.000 Euro.

Heutige Neuroprothesen besitzen zu wenige Elektroden, und ihre Lebensdauer von ein paar Wochen reicht nicht aus, um die neuronale Aktivität langfristig zu stimulieren und aufzuzeichnen. Zudem überwachen sie nicht, wie wirksam die Stimulation ist und in welchem Zustand sich das Gehirn des Patienten befindet. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wollen im Projekt „NeuraViPeR“ Grundlagen für ein langlebiges Implantat zur Hirnstimulation und -aufzeichnung schaffen. Mittels adaptiver Algorithmen des Deep Learning, einem automatisierten Verfahren des maschinellen Lernens, will das Konsortium eine neue Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie entwickeln, die jahrzehntelang sicher und effektiv arbeitet.

Die Algorithmen erzeugen aus Kameraaufnahmen elektrische Stimulationsmuster für den visuellen Kortex – den Teil der Großhirnrinde, der das Sehen ermöglicht. Sie werden zudem die aufgezeichneten Hirnsignale und Augenbewegungen nutzen, um die Wahrnehmung in einem geschlossenen Regelkreis zu verbessern. Auf diese Weise sollen es die Algorithmen Blinden ermöglichen, Objekte und Gesichtsausdrücke zu erkennen und durch ungewohnte Umgebungen zu navigieren. Um das System leicht, zuverlässig und tragbar zu machen, wollen die Forschenden die Software-Algorithmen auf energiesparende Hardware mit niedriger Verzögerungszeit installieren.

Die in Freiburg zu entwickelnde Neuroprothese besteht aus Tausenden von beschichteten Mikroelektroden, die über moderne Aufbau- und Verbindungstechnologien elektrisch mit hochintegrierten Computerchips verbunden und in den visuellen Kortex implantiert werden. Die Elektroden sollen nur minimale Gewebeschäden verursachen und trotz langfristiger wiederholter elektrischer Stimulation stabil bleiben. Mithilfe der neuartigen Computerchips will das internationale Forschungsteam Stimulationsströme zu den Elektroden führen und die neuronale Aktivität in größeren Hirnregionen überwachen.

Prof. Dr. Shih-Chii Liu von der Universität Zürich/Schweiz wird das Projekt leiten. Weitere Mitglieder kommen vom Niederländischen Institut für Neurowissenschaften an der Königlich Niederländischen Akademie der Wissenschaften in Amsterdam, der Ausgründung Phosphoenix in Amsterdam, der Stichting Universität in Nijmegen/Niederlande, der Universität Miguel Hernández in Elche/Spanien und dem Interuniversity Microelectronics Centre in Leuven/ Belgien. Das Team vereint Expertise aus Computer-, System- und klinischen Neurowissenschaften, Werkstofftechnik, Mikrosystemtechnik und Deep Learning. Maria Asplund und Patrick Ruther werden im neuen Forschungsgebäude „Intelligent Machine-Brain Interfacing Technology“ (IMBIT) an dem Projekt arbeiten. Das IMBIT wird voraussichtlich Anfang 2021 eröffnet und soll Freiburger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern eine optimale Infrastruktur für das Thema Gehirn-Maschine-Schnittstelle bieten.

Pressemitteilung der Universität Zürich

Intelligent Machine-Brain Interfacing Technology (IMBIT)