Forscher von Infineon Technologies haben in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut durch einen neu entwickelten Bio-Sensorchip direkten Kontakt zu lebenden Nervenzellen hergestellt. Der „Neuro-Chip“ nimmt elektrische Signale von lebenden Nervenzellen und Zellverbänden auf, verarbeitet sie und gibt sie an ein Computersystem weiter. So eröffnet der Neuro-Chip Forschern neue Einblicke in die biologische Funktion von Nervenzellen, von biologischen neuronalen Netzen und Hirngewebe. In der zellgestützten Medikamentenentwicklung werden effiziente Tests zur Wirkung von Medikamenten auf lebende Zellen machbar. Die ersten praktischen Messungen mit dem Neuro-Chip wurden erfolgreich am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried bei München, Infineon's Projektpartner und einem der weltweit führenden Institute im Bereich der Biowissenschaften, durchgeführt.

16.384 hochempfindliche Sensoren auf einem Quadratmillimeter Chipfläche

Der in Infineons Forschungsabteilung entwickelte Neuro-Chip integriert auf einer Fläche von nur einem Quadratmillimeter 128 mal 128 Sensoren. Unter jedem Sensor sind hochempfindliche elektronische Schaltungen integriert, mit denen die extrem schwachen elektrischen Signale der Nervenzellen verstärkt und aufbereitet werden. Die zu untersuchenden Nervenzellen werden direkt auf dem Sensorfeld am Leben gehalten und können dort wieder zu neuronalen Netzen zusammenwachsen. Im Gegensatz zu klassischen Methoden werden die Zellen durch die Messungen nicht verletzt. Die störungsfreie Beobachtung von Nervengewebe über einen Zeitraum von mehreren Wochen bietet Neurobiologen kontinuierlichen Einblick in die Funktionsweise von Lernvorgängen und Abläufen im Gedächtnis.

Die Sensordichte des jetzt vorgestellten Neuro-Chips ist fast 300 mal größer als die konkurrierender Systeme, die beispielsweise auf Glas aufgedampfte Metallbahnen zur Kontaktierung von Nervenzellen einsetzen. Der Durchmesser von Nervenzellen liegt zwischen 10 und 50 Mikrometern (zehn bzw. 50 Tausendstel Millimeter). Da der Abstand zwischen den einzelnen Messpunkten auf dem Neuro-Chip nur acht Mikrometer beträgt, können die Nervenzellen an beliebigen Positionen des Sensorfeldes ohne die Probleme der derzeit gängigen Systeme bei der Kontaktierung aufgebracht werden. Jede Nervenzelle wird damit von mindestens einem Sensor kontaktiert.

Anstatt wie bislang einzelne Zellen sequentiell zu untersuchen, vermisst Infineons Neuro-Chip auf seinem Sensorfeld mehrere Zellen parallel. Statistisch signifikante Daten fallen damit in deutlich kürzerer Zeit an. Zusätzlich kann der Neuro-Chip den Ablauf elektrischer Aktivität in neuronalem Gewebe festhalten. Pro Sekunde nimmt er mehr als 2.000 Einzelwerte für jeden der rund 16.400 Sensoren auf, die in ihrem zeitlichen Verlauf als farbiges Gesamtbild dargestellt werden. Die Forscher können damit erkennen, wie ganze Zellverbände über einen festgelegten Zeitraum auf elektrische Stimulation oder bestimmte Substanzen reagieren.

Analyse und Auswertung auf einem Drittel Quadratzentimeter

Die Gesamtfläche von Infineons Neurochip beträgt einschließlich der Schaltungen zur Signalverarbeitung etwa 5 mm mal 6 mm. Die Technologie basiert auf einem Standard-CMOS- (Complementary Metal Oxide Semiconductor) Halbleiter-Fertigungsprozess, der um einige Spezialprozesse zur Bereitstellung der kapazitiv arbeitenden Sensoren erweitert ist. Die Verwendung von Silizium als Basismaterial ist Grundvoraussetzung dafür, dass elektronische Schaltungen für die Signalverstärkung und die Signalauswertung im Chip integriert werden können.

Die technische Leistung von Infineon besteht darin, Schaltungen zu entwickeln, die Messung und Beobachtung der extrem kleinen Zellsignale erlauben: Es handelt sich dabei um Spannungsänderungen, deren Spitzenwerte je nach Zelltyp zwischen 100 µV (Mikrovolt, ein Millionstel Volt) und 5 mV (Millivolt, ein Tausendstel Volt) liegen. Wesentlicher Bestandteil dieser Schaltungstechnik ist eine speziell auf diese Anwendung zugeschnittene Kalibriertechnik, bei der sich der Chip periodisch zwischen den Messungen selbst abgleicht. Darüber hinaus hat Infineon den Standard-CMOS-Fertigungsprozess um spezielle Schritte für die Fertigung der rund 16.400 Sensoren erweitert.

„Infineon nutzt in der Forschungsarbeit das Wissen um Siliziumtechnik eines halben Jahrhunderts. Was zum Beispiel das Verhältnis von Signal- und Rauschgrößen betrifft, arbeiten wir beim Neuro-Chip eng an der Grenze dessen, was theoretisch überhaupt möglich ist“, sagte Dr. Roland Thewes, der bei Infineon in der Grundlagenforschung die Aktivitäten zu elektronischen Biochips leitet. Mit dem Neuro-Chip bietet Infineon ein Instrumentarium für die wissenschaftliche Forschung, mit dem heutiges Wissen und Verständnis der Abläufe im Hirn beträchtlich vertieft werden könnten.

Professor Dr. Peter Fromherz, Direktor am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried, kommentiert aus Sicht der Bio-Physiker: „Hier geht ein Traum in Erfüllung, dass unsere langjährige Grundlagenforschung über hybride Neuron-Halbleiter-Systeme nun in einen High-Tech-Chip einmündet. Die Entwicklung des Infineon-Teams auf der Basis modernster Mikroelektronik eröffnet Möglichkeiten für bislang ungeahnte Anwendungen in Biomedizin, Biotechnologie und Hirnforschung.“

Bei der Entwicklung der Neuro-Chips arbeitet Infineon seit zweieinhalb Jahren mit dem Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried zusammen. Während Infineon in dieser Kooperation neue Lösungen in Halbleiter-Technologie und Schaltungstechnik entwickelt, bringt das Max-Planck-Institut sein weltweit anerkanntes Know-how auf dem Gebiet der Zell-Halbleiter-Schnittstelle ein.

Über Infineon

Infineon Technologies AG, München, bietet Halbleiter- und Systemlösungen für die Automobil- und Industrieelektronik, für Anwendungen in der drahtgebundenen Kommunikation, sichere mobile Lösungen sowie Speicherbauelemente. Infineon ist weltweit tätig und steuert seine Aktivitäten in den USA aus San Jose, Kalifornien, im asiatisch-pazifischen Raum aus Singapur und in Japan aus Tokio. Mit weltweit rund 30.400 Mitarbeitern erzielte Infineon im Geschäftsjahr 2002 (Ende September) einen Umsatz von 5,21 Milliarden Euro. Das DAX-Unternehmen ist in Frankfurt und New York (NYSE) unter dem Symbol „IFX“ notiert. Weitere Informationen unter www.infineon.com.