Chip nimmt Kontakt zur Zelle auf: Infineon zeigt in San Francisco ersten Neuro-Chip aus Silizium

Chip nimmt Kontakt zur Zelle auf
Infineon zeigt in San Francisco ersten Neuro-Chip aus Silizium

Infineon meldet einen Fortschritt bei der Miniaturisierung von Sensoren: Ein Neurochip, den der Halbleiterhersteller für die Grundlagenforschung entwickelt hat, misst kleinste Ströme in lebenden Nervenzellen.

MÜNCHEN. Die Mikroelektronik dringt in immer feinere Strukturen vor. Halbleiterhersteller Infineon Technologies hat bei einem Treffen von Chipentwicklern auf der Fachkonferenz "International Solid- State Circuits Conference" in San Francisco als weltweit erster Hersteller einen Bio-Neuro-Chip in Siliziumtechnik vorgestellt, mit dem die extrem schwachen elektrischen Signale von lebenden Nervenzellen erfasst werden können. Die hochempfindliche elektronische Schaltung besitzt 16.384 Sensoren und kann Spannungsänderungen registrieren, die zwischen 100 Mikrovolt (100 Millionstel Volt)und 5 Millivolt (5 Tausendstel Volt) liegen.

Der neue Chip könnte künftig die Grundlagenforschung vereinfachen. Neurophysiker erhoffen sich von gewonnenen Daten neue Erkenntnisse über die Funktionsweise von biologischen neuronalen Netzen und Hirngewebe. Messobjekte sind lebende Nervenzellen, die direkt auf dem Chip aufgebracht werden. Bislang mussten die Wissenschaftler ihre Instrumente für Messungen an Nervenzellen selber bauen.

Die 128 x 128 Sensoren des Infineon-Chips sind auf einer Fläche von etwa einem Quadratmillimeter untergebracht und haben einen Abstand von nur etwa 8 Mikrometer. Weil der Durchmesser einer Nervenzelle ungefähr 10 Mikrometer beträgt, ist sichergestellt, dass ein auf dem Chip aufgebrachter Nerv auf jeden Fall Kontakt mit einem Messfühler hat - egal wo er wächst. Der Bio-Neuro-Chip ist in der Lage, mehrere Zellen oder Netze gleichzeitig in zwei Dimensionen zu analysieren.

Dabei nimmt der Chip an jedem der 16.384 Sensoren pro Sekunde 2.000 Messwerte auf und hält so den exakten zeitlichen Verlauf der Signale fest. Die größte Herausforderung bei der Entwicklung des Neurochips war für die hohe Dichte der Sensoren und die Messung der extrem schwachen elektrischen Signale die größte Herausforderung. Denn je kleiner die Sensoren, desto schlechter ist das Signal-Rausch- Verhältnis. Das heißt, es wird immer schwieriger, die sowieso schon schwachen Impulse aus dem aufgezeichneten Signal herauszufiltern.

Peter Fromherz, Leiter der Abteilung Biochemie des Max-Planck-Instituts in Martinsried, hat erste Messungen mit dem Neuro-Chip durchgeführt und dessen Leistungsfähigkeit bestätigt. Fromherz arbeitet schon lange an der Kopplung von Halbleitern mit Nervenzellen, um mehr über die Funktionsweise von Nervenzellen bzw. -verbünden zu erfahren. Erfüllt der Chip bei weiteren Messungen die Erwartungen, kann der Wissenschaftler künftig auch zeitlich aufgelöste Messungen in zwei Raumdimensionen an Hirnschnitten von Schnecken oder Ratten vornehmen.

Doch damit möchte sich der Wissenschaftler nicht zufrieden geben: "Der nächste Schritt muss die Integration von Stimulationspunkten sein", legt Fromherz die Latte gleich noch eine Stufe höher. "Mit unseren bisherigen selbst gefertigten Chips konnten wir nicht nur die Signale messen, sondern die Zellen auch gezielt stimulieren."

Daher wünscht sich der Münchener Professor, dass auch der Infineon-Chip künftig Kontakte für die Anregung der Zellen erhält. Bei der jetzigen Dichte der Sensoren ist das eine weitere Herausforderung an die Halbleitertechniker. "Was das Signal-Rausch-Verhältnis betrifft, arbeiten wir bei dem Neuro-Chip eng an der Grenze des theoretisch Machbaren", erläutert Roland Thewes, der bei Infineon die Entwicklung der elektronischen Biochips leitet, die Schwierigkeit.

Gelänge es dem Münchener Halbleiterentwickler dennoch, die Wünsche des Forschers zu erfüllen, dann hätten die Neurophysiker ein Werkzeug, mit dem sie dann untersuchen könnten, wie Zellverbände auf elektrische Stimulation oder Substanzen reagieren. Sie könnten mit dem Chip Verfahren entwickeln, mit denen beispielsweise Pharmaforscher die Wirkung von Substanzen auf Nervenzellen unmittelbar messen könnten. Doch bis dahin sei es noch ein weiter Weg, warnt Fromherz vor zu hohen Erwartungen.

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