EPFL-Chip LogSync wertet Signale mehrerer Hirnregionen im Implantat aus

EPFL-Chip wertet Signale mehrerer Hirnregionen direkt im Implantat aus

Ein Team um Mahsa Shoaran, Leiterin des Integrated Neurotechnologies Lab an der EPFL, stellt mit LogSync ein implantierbares System-on-Chip vor. Der Chip soll die adaptive Tiefenhirnstimulation (DBS) bei schweren psychiatrischen Erkrankungen steuern, etwa bei therapieresistenter Depression und posttraumatischer Belastungsstörung. Er erfasst Leistung, Phasensynchronie und Konnektivität über mehrere Hirnregionen. Per Machine Learning klassifiziert er kognitive und emotionale Zustände direkt auf dem Chip. Stimuliert wird nur, wenn er einen pathologischen Zustand erkennt.

Genannt werden 32 Kanäle, eine Fertigung in 65-nm-CMOS und ein Verbrauch von unter 200 Mikrowatt. Die Fachpublikation beziffert den Verbrauch mit 6,14 Mikrowatt pro Kanal.

Der Ansatz setzt an einer Lücke an. Die meisten bestehenden DBS-Systeme arbeiten im offenen Regelkreis und stimulieren nach vorab festgelegten Einstellungen. Auch viele adaptive Systeme stützen sich auf Signale aus nur einer Region. Laut EPFL kann klinisch relevante Information bei psychiatrischen Erkrankungen jedoch über Netzwerke verteilt sein, in denen mehrere Regionen zusammenwirken.

Zur Einordnung: Erkannt werden aufgabenbezogene Zustände, nämlich kognitive Beanspruchung und emotionale Erregung, aus neuronalen Oszillationen. Der Chip liest keine frei wählbaren Gefühle aus.

Getestet an Aufzeichnungen und einer Ratte, Trefferquote um die 75 Prozent

Die Fachpublikation nennt Ergebnisse aus zwei Datensätzen mit intrakranieller Elektroenzephalografie (iEEG). Bei der Multi-Source-Interference-Task (MSIT) liegt die Sensitivität bei 80,9 Prozent, die Spezifität bei 74,2 Prozent. Bei der Emotional-Conflict-Resolution-Task (ECR) sind es 74,8 beziehungsweise 73,1 Prozent. Auf dem öffentlichen Kopfhaut-EEG-Datensatz DEAP zur Emotionserkennung liegen beide Werte bei etwa 70 Prozent.

Die Differenz ist relevant. Die Pressemitteilung spricht von menschlichen intrakraniellen Daten. Ein Teil der Emotionsvalidierung beruht jedoch auf nicht-invasivem EEG, dessen Ergebnisse sich nicht direkt auf implantierte Elektroden übertragen lassen.

Dazu kam ein In-vivo-Test an einer Ratte an der University of Minnesota, bei dem phasengekoppelte Stimulation abgegeben wurde. Patienten wurden nicht behandelt. Es handelt sich um einen Labor- und Machbarkeitsnachweis im Chipdesign, kein klinisches Ergebnis.

Laut dem Portal hyper.ai erschien die Arbeit im IEEE Journal of Solid-State Circuits. Demnach unterstützte ein Förderprogramm des US-amerikanischen NIMH das Projekt mit 6,6 Millionen Schweizer Franken. Diese Angabe stammt nur aus dieser Zweitquelle.

Chipgröße unklar, Überlegenheit gegenüber Percept und NeuroPace nicht belegt

Offen ist die Chipgröße. Eine Sekundärquelle nennt etwa 4 × 2 Millimeter, also rund 8 Quadratmillimeter. Die Fachpublikation gibt 5,46 Quadratmillimeter an. Sie gilt als verlässlicher, die Abweichung ist aber ungeklärt. Denkbar sind gerundete Maße, ein anderer Bezugsrahmen wie Gehäuse oder Pad-Rahmen oder ein Fehler in der Sekundärquelle.

Nach Angaben der EPFL ist die Multi-Region-Auswertung ein wesentlicher Fortschritt gegenüber Einzelregion-Systemen. Der Verbrauch liege weit unter dem vieler implantierbarer Neuro-Interfaces. Der Ansatz könne außerdem adaptive Stimulation bei Bewegungsstörungen, nicht-invasive Stimulation und Ultraschall-Neuromodulation unterstützen. Dabei handelt es sich um Herstellerangaben, die erst Folgestudien oder unabhängige Vergleiche prüfen können.

Ein Vergleich mit NeuroPace RNS, Medtronic Percept PC oder Newronika AlphaDBS ist im vorliegenden Material nicht belegt. Eine Vergleichsstudie zu geschlossenen Systemen behandelt diese Geräte, LogSync kommt darin nicht vor.

Für Betroffene besteht derzeit kein Handlungsbedarf. Ein Nutzen bei Depression, PTSD oder Zwangsstörung ist bislang nur eine Perspektive.