Eine neue ultradünne Gehirn-Computer-Schnittstelle ebnet den Weg zu einer diskreten Kommunikation mit hohem Durchsatz mit dem Kortex – mit klaren therapeutischen Auswirkungen für Epilepsie, Rückenmarksverletzungen, ALS, Schlaganfall und Blindheit. Ein Forschungsteam der Columbia University und des NewYork-Presbyterian Hospital hat zusammen mit Partnern von Stanford und der University of Pennsylvania ein System entwickelt, das eine schnelle drahtlose Verbindung zwischen der Großhirnrinde und externen Computern herstellt, ohne klobige Elektronikkapseln und ohne Kabel, die durch den Schädel verlaufen. Der Schlüssel liegt in der extremen Miniaturisierung und monolithischen Integration: Das gesamte System passt auf ein einziges Siliziumplättchen, das so dünn geschliffen und gebogen werden kann, dass es wie Papier auf der Gehirnoberfläche liegt, wodurch die Invasivität des Eingriffs auf ein Minimum reduziert und der Datendurchsatz auf Niveaus angehoben wird, die für den Betrieb fortschrittlicher Algorithmen des maschinellen Lernens erforderlich sind.

Warum BISC anders ist: von der „Elektronikdose“ zu einem Plättchen

Die meisten medizinischen BCI-Systeme der letzten Generation verwenden mehrere getrennte mikroelektronische Module – Verstärker, A/D-Wandler, Steuerlogik und Funk-Transceiver –, die in einer relativ großen implantierten „Dose“ untergebracht sind, mit Kabeln, die durch den Schädel oder zum Brustkorb führen. Eine solche Architektur erhöht die Invasivität, schafft potenzielle Infektionswege und begrenzt die Bandbreite. BISC durchbricht dieses Modell. Die gesamte Schnittstelle – von 65.536 Mikroelektroden im Array (µECoG) über analoge Front-Ends und A/D-Wandler bis hin zu Funk-Transceivern, Stromversorgung und digitaler Steuerung – befindet sich auf einem einzigen monolithischen CMOS-Wafer, der auf die Dicke eines Haares gedünnt wurde. Das Board wird subdural auf den Kortex gelegt, ohne in das Gewebe einzudringen, was die Reaktivität verringert und die Chirurgie vereinfacht.

Das Implantat stützt sich energetisch und datentechnisch auf eine externe, tragbare „Relaisstation“, die drahtlos Energie liefert und Daten empfängt. Die Verbindung wird über Ultrabreitband-Funk (UWB) mit einem On-Chip-Transceiver hergestellt; in der Praxis ermöglicht dies einen Durchsatz in der Größenordnung von Hunderten von Megabit pro Sekunde, genug für die gleichzeitige Aufzeichnung von Tausenden von Kanälen mit hoher zeitlicher Auflösung sowie für die bidirektionale „Read-Write“-Interaktion (Stimulation und Aufzeichnung) auf dem Kortex.

Skalierbarkeit auf Ebene der Halbleiterindustrie

Die Stärke von BISC liegt darin, dass es nicht als handmontiertes „Patchwork“ hergestellt wird, sondern durch Standardverfahren der Halbleiterindustrie. Der Chip wird in einem 0,13-µm-BCD-Prozess (Kombination aus Bipolar-, CMOS- und DMOS-Prozessen) gefertigt, der die Koexistenz von präziser rauscharmer Analogtechnik, digitaler Logik, Leistungsmanagement und starken Ausgängen für die Stimulation auf demselben Kristall ermöglicht. Dadurch wird eine bisher unerreichte Funktionsdichte erzielt: ein Mikroelektroden-Array von 256×256 Kontakten, 1.024 gleichzeitige Aufzeichnungskanäle und bis zu 16.384 programmierbare Stimulationskanäle, zusammen mit Funk- und Energiesubsystemen – alles in einem Volumen in der Größenordnung von Kubikmillimetern und mit einer Gesamtdicke der Baugruppe, die auf wenige Dutzend Mikrometer reduziert werden kann. Da alles in Standardlithographie gefertigt ist, eignet sich die Plattform für die Serienproduktion und die schrittweise Erhöhung der Kanalanzahl ohne Änderung der grundlegenden Architektur.

Drahtloser hoher Durchsatz: warum 100 Mbps wichtig sind

In klinischen und Forschungs-BCI-Anwendungen ist es entscheidend, so viele Informationen wie möglich über Absichten, Wahrnehmung und Gehirnzustände „einzufangen“, und dies erfordert sowohl eine hohe räumliche als auch eine hohe zeitliche Auflösung. Die UWB-Verbindung von BISC erreicht deklarativ etwa 100 Mb/s aggregierten Durchsatz, und das ohne physische Drähte zwischen Kortex und Computer. Diese Zahl ist nicht nur eine Ingenieursangabe auf dem Papier: Eine solche Bandbreite ermöglicht die Ausführung fortschrittlicher Algorithmen des maschinellen und tiefen Lernens auf nahezu rohen Signalen, ohne aggressive Kompression und ohne Verlust von Feinheiten, die für die Dekodierung von Nuancen in Bewegung, Sprache oder Wahrnehmung erforderlich sind. Die Relaisstation kommuniziert mit dem Computer über Standard-Funkprotokolle, was die Integration in bestehende Arbeitsabläufe im Krankenhaus und Labor vereinfacht.

Vom Labor ins Krankenhaus: Studienstatus am 10. Dezember 2025

Auf dem Weg zur klinischen Anwendung hat das Team eine minimalinvasive Chirurgie entwickelt, bei der der gedünnte Chip durch eine kleine Kraniotomie eingeführt und in den Subduralraum „geschoben“ wird, unmittelbar auf den Kortex. In präklinischen Modellen wurde die Stabilität der Langzeitaufzeichnung vom motorischen und visuellen Kortex bestätigt. Es wurden auch Wanderwellen im Gamma-Band im visuellen Kortex aufgezeichnet, die eine Fülle von Informationen über Reize tragen, was typische niedrigauflösende Systeme nicht registrieren können. Parallel dazu werden kurze intraoperative Studien am Menschen durchgeführt, die auf die Signalqualität, die Robustheit der Kommunikation und die Sicherheit der Implantatposition während neurochirurgischer Eingriffe ausgerichtet sind.

Für Epilepsie gibt es konkrete Pläne: Neurochirurgische und neurologische Teams im NewYork-Presbyterian/Columbia-Zentrum haben Studien zur Verwendung von BISC bei Patienten mit pharmakoresistenter Epilepsie angemeldet. Die Idee ist, die hohe räumlich-zeitliche Auflösung für die präzise Kartierung von Herden, die Vorhersage von Anfällen und langfristig für die gezielte Stimulation zu nutzen, die pathologische Muster dämpft, bevor sie zu einem klinischen Anfall heranwachsen.

Klinisches Potenzial: von der Anfallskontrolle bis zur Wiederherstellung von Sehen und Sprechen

Obwohl der anfängliche Fokus auf Epilepsie liegt, ist die Technologie auf eine Reihe anderer Zustände anwendbar. Bei Lähmungen nach Rückenmarksverletzungen oder Schlaganfall eröffnen die hohe Elektrodendichte und der Durchsatz Raum für die Dekodierung der Bewegungsabsicht und die Steuerung von Exoskeletten oder funktioneller elektrischer Stimulation. Bei amyotropher Lateralsklerose kann ein BCI-System mit einer solchen Auflösung als Grundlage für schnelle Kommunikationsschnittstellen dienen, und in der Ophthalmologie und Neuroophthalmologie kann die bidirektionale Stimulation auf dem Kortex die Grundlage für visuelle Prothesen mit höherer räumlicher Auflösung werden. Schließlich haben Technologien zur Sprachdekodierung mit hohem Datenstromdurchsatz bereits gezeigt, dass sie natürlichere, ausdrucksstärkere Sprache in Echtzeit rekonstruieren können, was einen wichtigen Weg zur Wiederherstellung der Kommunikation für Personen eröffnet, die sie verloren haben.

Wie BISC funktioniert: ein kurzer „Stack“ von der Elektrode bis zur Cloud

• µECoG-Array: 256×256-Anordnung von Mikroelektroden hoher Dichte liegt auf der Oberfläche der Rinde und „liest“ kapazitiv/ohmsch lokale Feldpotenziale, bei minimalem Eindringen in das Gewebe.


• Analoges Front-End: Jeder Aufzeichnungskanal enthält einen rauscharmen Verstärker, programmierbare Filter und A/D-Wandler, die für bioelektrische Signale optimiert sind.


• Steuerung und Verarbeitung: Auf dem Chip befindet sich ein Controller mit eigenem Instruction Set, der Multiplexing, Stimulationsmuster und Datenpaketierung steuert.


• Stromversorgung und RF: Drahtlose induktive/kapazitive Stromversorgung und UWB-Transceiver für bidirektionale Kommunikation mit der tragbaren Relaiseinheit; das Relais nutzt Standard-802.11-Zugang zum Computer.


• Softwareschicht: API und Werkzeuge für maschinelles Lernen, die die Dekodierung von Motorik, Sprache und Wahrnehmung sowie die Implementierung geschlossener Stimulationskreisläufe ermöglichen.

Ingenieurtechnische Entscheidungen, die den Unterschied machen

Dicke und Flexibilität. Ein auf ~50 µm gedünntes Plättchen (in einigen Versionen sogar bis zu ~15–25 µm Gesamtdicke mit Kapselung) kann zwischen Dura und Kalotte gleiten, ohne volumetrischen Druck auf das Parenchym auszuüben, und sich formschlüssig an die Windungen des Kortex anpassen. Monolithische Integration entfernt Kabel und Steckverbinder, reduziert Fehlerpunkte und bringt erhebliche Volumeneinsparungen. Bandbreite in der Größenordnung von 100 Mb/s ist ein qualitativer Sprung – sie ermöglicht das „Streaming“ neuronaler Daten in Echtzeit und eine Grundlage für geschlossene Stimulationskreisläufe. Energieeffizienz und Leistungsmanagement sind so konstruiert, dass die Dissipation innerhalb sicherer Grenzen für neuronales Gewebe bleibt, bei ständiger Überwachung von Temperatur und Signalintegrität.

Vergleich mit anderen BCI-Ansätzen

Das BCI-Ökosystem ist vielfältig: von tief eindringenden Mikronadel-Matrizen bis hin zu epiduralen und subduralen Netzen sowie vollständig nicht-invasiven Systemen. Eindringende Matrizen (z. B. robotergestützt implantierte Fäden) liefern eine sehr hohe lokale Auflösung, bergen jedoch ein höheres chirurgisches Risiko und eine langfristige Gewebereaktivität. Epidurale und subdurale Systeme sind weniger invasiv, boten jedoch traditionell eine geringere Auflösung und einen geringeren Durchsatz. BISC verbindet die Vorteile beider Welten: subduraler, weicher Kontakt mit dem Kortex und eine Kanaldichte, die in das Territorium hochauflösender Rekonstruktionen eintritt – und vermeidet dabei dauerhafte transkortikale Leitungen und klobige Elektronikkapseln. Für Kliniker bedeutet dies eine einfachere Platzierung, für Ingenieure eine größere Skalierbarkeit und für Patienten potenziell eine schnellere Genesung und ein geringeres Infektionsrisiko.

Von DARPA zum Startup: der Weg der Kommerzialisierung

Die Entwicklung von BISC wurde im Rahmen von Programmen gefördert, die auf hochauflösende Schnittstellen mit einer großen Anzahl von Aufzeichnungs- und Stimulationskanälen ausgerichtet waren, mit dem Ziel, die Brücke zwischen Gehirn und digitalen Systemen so breit wie möglich und gleichzeitig sicher zu machen. Forscher initiierten daraufhin den industriellen Transfer durch das neu gegründete Unternehmen Kampto Neurotech, das forschungsbereite Versionen des Chips herstellt und an der weiteren Entwicklung der Plattform zur Erfüllung der Anforderungen für Studien am Menschen arbeitet. Der industrielle Ansatz zur Wafer-Scale-Produktion und Metriken wie Elektrodendichte pro Kubikmillimeter hebt sich als Unterscheidungsmerkmal im Vergleich zu bestehenden Systemen hervor.

Sicherheit, Biokompatibilität und Regulierung

Einer der Gründe für die Wahl der subduralen Konfiguration ist die Verringerung der Gewebereaktivität und der Mikrobewegungen, die das Signal im Laufe der Zeit verschlechtern. Dabei werden flexible Dielektrika (z. B. Parylen, Polyimid) und hermetische Kapselungskonzepte verwendet, die die Steifigkeit der Baugruppe nicht erhöhen. Energiedichten und Wärmeströme sind so ausgelegt, dass sie die Sicherheitsgrenzen für neuronales Gewebe nicht überschreiten, während das gesamte System so konzipiert ist, dass es in einem geschlossenen Kreis mit Überwachung der Signalintegrität und Fehlererkennung arbeitet. Auf der regulatorischen Seite steht der Standardweg bevor: Bewertung der Materialbiokompatibilität, Verifizierung der elektromagnetischen Verträglichkeit, Softwarevalidierung sowie klinische Studien, die Sicherheit und Nutzen bei klar definierten Indikationen zeigen müssen.

KI als „zweite Hälfte“ des Systems

Ein Hochdurchsatz-BCI ohne leistungsstarke Algorithmen bleibt nur ein „Mikrofon“ für das Gehirn. BISC ist für die Zusammenarbeit mit Modellen des maschinellen Lernens konzipiert, die mit lokalen Feldströmen und potenziell mit Verbindungen zu visuellen, somatosensorischen und motorischen Repräsentationen arbeiten. Bei der Dekodierung der Motorik erleichtert die dichte Anordnung der Kontakte das Erlernen der Abbildung von Bewegungsabsichten in Befehle für Prothesen oder Exoskelette. Bei der Sprache ermöglicht die Kombination aus dichter räumlicher Abtastung und stabiler drahtloser Verbindung Systemen, kontinuierliche, ausdrucksstarke Sprache in nahezu Echtzeit zu rekonstruieren. Bei der Wahrnehmung schaffen große Bandbreite und Bidirektionalität Voraussetzungen für geschlossene Kreisläufe, in denen Algorithmen nicht nur lesen, sondern auch gezielt stimulieren, um pathologische Muster zu korrigieren.

Was dies für die Klinik in den kommenden Jahren bedeutet

Bei Epilepsie: feinere Kartierung von Netzwerken, die Anfälle generieren, Prädiktoren basierend auf tiefen Modellen und das Potenzial geschlossener Stimulationskreisläufe zur Verhinderung von Anfällen. Bei motorischen Defiziten: schnellere „Vom-Gedanken-zur-Bewegung“-Kanäle und präzisere Kontrolle mehrerer Freiheitsgrade. In der Kommunikation: natürlichere, schnellere Sprache, generiert aus neuronaler Aktivität, einschließlich Ausdrucksnuancen. Bei Sehstörungen: Grundlagen für kortikale Prothesen mit einer größeren Anzahl von Stimulationsräumen. All dies hängt von Nachweisen der Sicherheit und Robustheit über längere Zeiträume, von der Nachhaltigkeit der drahtlosen Stromversorgung und von der Fähigkeit des Systems ab, langfristig ein günstiges Signal-Rausch-Verhältnis ohne narbige Veränderungen an der Schnittstelle Gewebe-Elektrode aufrechtzuerhalten.

Technische Spezifikationen und Zahlen (Kontext für Experten)

• Elektrodendichte: 256×256 (65.536 Kontakte) im µECoG-Array; gleichzeitige Aufzeichnung ≥1.024 Kanäle; Stimulation bis zu 16.384 Kanäle mit programmierbaren Mustern.


• Funkverbindung: UWB mit einem aggregierten Bitdurchsatz von annähernd 100 Mb/s; die Relaisstation verhält sich gegenüber dem Computer wie ein 802.11-Gerät.


• Fertigungstechnologie: 0,13-µm-BCD (monolithische Integration von Analog, Digital, Stromversorgung und RF).


• Mechanik: gedünntes Kristall von ~50 µm Dicke (gesamt mit Kapselung ~25–50 µm), flexibel für subdurale Platzierung; Chipfläche in der Größenordnung von Quadratmillimetern; Volumen ~3 mm³.


• Software: eigenes „Instruction Set“, API und Werkzeuge zur Dekodierung von Absicht, Wahrnehmung und Zustand; geschlossener Stimulationskreislauf unterstützt.


• Präklinische Ergebnisse: chronische Aufzeichnungen (Wochen–Monate) bei Schweinen und nicht-humanen Primaten mit Dekodierung von Motorik und Wahrnehmung; intraoperative Aufzeichnungen bei Menschen im Gange.

Offene Fragen und Grenzen

Wie lange bleiben Elektrodenimpedanz und Signal-Rausch-Verhältnis stabil? Wie kann langfristige Hermetizität ohne Erhöhung der Steifigkeit gewährleistet werden? In welchem Tempo wächst der Verbrauch im Verhältnis zur Anzahl der aktiven Kanäle und wie wirkt sich das auf die Wärmebilanz aus? Kann die drahtlose Verbindung zuverlässig mit der elektromagnetisch „verschmutzten“ Krankenhausumgebung umgehen? Wie baut man Cybersicherheit und Datenschutz vom ersten Tag an ein? Und schließlich, wie validiert man Decoder so, dass sie robust gegenüber langfristigen Veränderungen in der Neurophysiologie und dem Verhalten der Patienten sind? Antworten auf diese Fragen werden entscheiden, ob BISC die Grenze von einer vielversprechenden Plattform zu einem Standard-Neurochirurgie-Werkzeug überschreiten kann.

In Summe erhält das Gehirn mit dem Erscheinen eines einkomponentigen, ultradünnen, drahtlosen BCI, das die gesamte „Signalkette“ auf einen Chip bringt, ein Kommunikations-„Portal“ mit hohem Durchsatz. Wenn bevorstehende klinische Studien Sicherheit und Wirkung bei Krankheiten wie Epilepsie, Lähmung oder Sehverlust bestätigen, könnte die nächste Welle der Neurotechnologie leise aus dem Labor in die neurochirurgischen Säle und – Schritt für Schritt – in den Alltag eintreten.