Sie sind kleiner als ein Stecknadelkopf und können doch Blinde wieder sehend machen sowie zu einem besseren Verständnis des menschlichen Gehirns beitragen: Integrierte Schaltungen für implantierbare Systeme. „Bei der Herstellung solcher ,Chips‘ werden Milliarden von elektronischen Bauelementen punktgenau auf Silizium angeordnet: Auf einer Fläche, die dem Querschnitt eines menschlichen Haares entspricht, finden sich dann bis zu 100 000 Schaltungstransistoren, deren Strukturen nur unter den leistungsfähigsten Mikroskopen sichtbar werden“, berichtet Professor Maurits Ortmanns, Leiter des Instituts für Mikroelektronik. Die Herausforderungen im Überblick: Höchste Funktionalität auf kleinstem Raum, geringster Energieverbrauch und hohe Sicherheitsanforderungen für Mensch und Technik. Weitere Hürden sind die drahtlose Energieversorgung und der Datentransport aus dem Körper. Denn Drähte, die aus der Haut ragen, akzeptieren die wenigsten Patienten. Sie bringen außerdem ein höheres Infektionsrisiko mit sich.
Am Institut für Mikroelektronik werden Prototypen solcher integrierten Schaltungen ständig für verschiedene biomedizinische Anwendungen optimiert. Beim Tag der offenen Tür (12. Juni ab 14:00 Uhr) der Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Informatik und Psychologie präsentiert das Institut Retina-Implantate, einen Stressmesser und einen Neuromodulator, der zum Beispiel bei neurodegenerativen Erkrankungen helfen soll.
Bei der Augenkrankheit Retinitis Pigmentosa lässt die Sehkraft der Patienten oft bereits in jungen Jahren nach, bevor es schließlich zur Erblindung kommt. Die Ursache: Lichtrezeptoren der Netzhaut gehen zugrunde. Die Makuladegeneration ist hingegen Hauptauslöser für Sehbehinderungen bis zur Erblindung im Seniorenalter. Bei diesen und anderen Erkrankungen, die die Lichtrezeptoren auf der Netzhaut (Retina) betreffen, kann ein Retina-Implantat helfen. Zwei wichtige Voraussetzungen gibt es allerdings: Die Verbindung zwischen Gehirn und Netzhaut muss weiterhin bestehen und Patienten sollten nicht blind geboren worden sein.
Auf integrierten Schaltungen basierende Retina-Implantate ersetzen die defekte Sehzelle und nutzen die vorhandene Kommunikation zwischen Netzhaut und Gehirn. „Bei diesen Implantaten wird mit elektrischen Impulsen die Netzhaut stimuliert und dann werden die Reize an das Gehirn weitergeleitet. Patienten können so wieder Gesichtsausdrücke erkennen oder etwa Objekte unterscheiden“, erklärt Ortmanns. Der Ingenieur liefert dem französischen Unternehmen Pixium Vision komplette Implantationschips, die als epiretinale Variante auf die Netzhaut gelegt werden. Sein Institutskollege Professor Albrecht Rothermel entwickelt hingegen drahtlose Implantate (3 x 3 mm, rund 1600 Bildpunkte), die subretinal in die Netzhaut greifen und von der Retina Implant AG in Reutlingen verwendet werden. In einer klinischen Studie sind solche Chips bereits an rund 40 Patienten getestet worden, von denen viele den Blindenstatus verloren haben. Das Fernziel der Wissenschaftler: Die Implantate sollen mehrere Jahre im Auge verbleiben.
Das Gehirn verstehen und stimulieren
Ein weiteres Forschungsgebiet der Ingenieure sind Neuromodulatoren. Von diesem Werkzeug können Patienten mit neurologischen Erkrankungen und Wissenschaftler gleichermaßen profitieren. Dazu wird ein Elektrodenarray in der Form einer „Matte“ über das Gehirn gelegt, in die jene integrierten Schaltungen (ICs) eingearbeitet sind oder angebunden werden. So gelingt die Ableitung elektrischer Signale, was zu einem besseren Verständnis neuronaler Strukturen beitragen kann. Wissenschaftler haben also die Möglichkeit, ihre Modelle zu überprüfen und Erkenntnisse für die Behandlung Querschnittgelähmter oder Patienten mit Morbus Parkinson und Alzheimer zu gewinnen. Ebenfalls am Institut für Mikroelektronik forscht Juniorprofessor Jens Anders an Möglichkeiten, die Implantate durch chemische Sensoren so zu erweitern, dass zusätzlich zu den elektrischen Ableitungen auch Neurotransmitter im Gewebe messbar werden.
Ähnlich wie bei der Tiefenhirnstimulation können Hirnbereiche zudem gezielt mit dem Neuromodulator gereizt werden – und das an vielen Stellen gleichzeitig. Dies könnte die Symptome neurodegenerativer Erkrankungen lindern – also zum Beispiel die krankhafte Aktivität von Nervenzellen bei Parkinson stoppen – und die Reorganisation des Hirns nach einem Schlaganfall fördern. „Je mehr Flexibilität die Stimulatoren dabei haben, desto besser für den späteren Einsatz beim Patienten“, sagt Ortmanns. Die in Ulm entwickelten Chips werden von Partnern in Freiburg in eine Implantatkapsel eingebracht, die nach der entsprechenden Ausfräsung einen Teil des Schädelknochens ersetzt. Durch ein flexibles Kabel kann dann die „Elektrodenmatte“ über das Gehirn gelegt werden. Die nächste Herausforderung: Unzählige Rohdaten aus vielen Kanälen müssen kabellos aus dem Hirn transportiert werden. Aktuell finden Tests im Modell statt.
Das dritte Exponat des Instituts verdeutlicht die interdisziplinäre Zusammenarbeit innerhalb der Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Informatik und Psychologie: Mit Psychologen um Professorin Iris-Tatjana Kolassa entwickelt Juniorprofessor Jens Anders einen Stressmesser für die Hosentasche: Mittels Elektronenspinresonanz sucht das Gerät nach Hinweisen für oxidativen und nitrosativen Stress in Blutproben. „Bisherige Systeme sind teuer und füllen mitunter ganze Räume. Darüber hinaus soll unser Gerät in der Lage sein, auch geringe Stresslevel zu erfassen“, sagt Jens Anders. Getestet wird das Spektrometer in naher Zukunft an Patienten der Psychotherapeutischen Hochschulambulanz der Uni Ulm, die ihr Einverständnis gegeben haben. Beim Fakultätsjubiläum führen die Ingenieure Live-Messungen vor. Außerdem können Besucher integrierte Schaltungen, die viele Projekte des Instituts verbinden, durch das Mikroskop betrachten.
Die Forschungsvorhaben des Instituts für Mikroelektronik werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und von Partnern aus der Industrie gefördert.
Beim Tag der offenen Tür hat das Institut für Mikroelektronik im Uni-Forum die Standnummer 34
„Tag der offenen Tür“
25. Jubiläum der Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Informatik und Psychologie
Freitag,12. Juni 2015
ab 14:00 Uhr
Forum, Universität Ulm, Albert-Einstein-Allee 11, 89081 Ulm
Programm
Alle Interessierten sind herzlich eingeladen!
Zur Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Informatik und Psychologie
Die Fachbereiche Informatik und Elektrotechnik haben zum Wintersemester 1989/90 ihren Lehrbetrieb an der Uni Ulm aufgenommen. Informatiker und Ingenieure arbeiten seitdem eng zusammen. Die entsprechenden Studiengänge (Elektrotechnik, Informatik, Medieninformatik, Informationssystemtechnik, Software Engineering, Communications Technology sowie Cognitive Systems und Psychologie) haben sich längst an der Universität Ulm etabliert. Kooperationen mit „traditionellen“ Fächern wie der Medizin, Physik und Biologie sind erfolgreich und zahlreich. Seit 2009 bereichert das neu gegründete Institut für Psychologie und Pädagogik die Fakultät, die kürzlich in Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Informatik und Psychologie umbenannt wurde. Die Verhaltenswissenschaftler haben den Anwender im Blick: Mit ihrem Wissen rund um das menschliche Handeln und Denken geben sie den Technikdisziplinen neue Impulse.
Ein Aushängeschild ist der Sonderforschungsbereich/TRR 62, in dem Vertreter der drei Fächer zu intelligenten technischen Systemen der Zukunft forschen. Diese „Companions“ stellen sich hochindividuell auf ihren Nutzer ein.
Weitere Schwerpunkte neben der Mensch-Maschine-Interaktion und intelligenten Fahrzeugen sind „Adaptive softwareintensive Systeme“, „Sensorik und Signalverarbeitung“, „Mikrowellen- und Hochfrequenzsysteme“ sowie „Halbleiter- und Nanomaterialien“. Mittlerweile studieren 2500 junge Leute an der Fakultät.
Text und Medienkontakt: Annika Bingmann