Mikroelektroden-Array

Mikroelektroden registrieren Potentialschwankungen im Extrazellularraum, die durch transmembranäre Ionenströme entstehen. Dabei unterscheidet man zwei Signalarten:

• Extrazelluläre Aktionspotentiale ("Spikes"), die von einem oder mehreren Neuronen in Elektrodennähe stammen können
• Lokale Feldpotentiale (LFP), die die summierte, überwiegend synaptische Aktivität einer größeren Zellpopulation widerspiegeln

Bei der Patch-Clamp-Technik misst man an einer einzelnen Zelle. Eine extrazelluläre Elektrode erfasst dagegen Signale aller Quellen in ihrer Umgebung. Welche Spikes zu welchem Neuron gehören, wird deshalb rechnerisch bestimmt (Spike Sorting).^[1]

Die Elektroden sind planar in den Boden einer Kulturschale aus Glas oder Silizium eingelassen. Abgeleitet wird von Zellkulturen, akuten Hirnschnitten, Retina oder Kardiomyozyten. Das Prinzip wurde 1972 erstmals beschrieben.^[2] Hochdichte Arrays mit komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter-Technologie (CMOS) und integrierter Elektronik tragen mehrere Tausend Elektroden und ermöglichen eine Auflösung bis auf subzelluläre Ebene, z. B. die Erfassung der Aktionspotentialausbreitung entlang von Axonen.^[1]

Implantierbare MEAs umfassen verschiedene Bauformen:

• Utah-Array: dreidimensionales Siliziumarray aus nadelförmigen Elektroden in einem 10×10-Raster, das in die Großhirnrinde eingebracht wird^[3]
• Planare Siliziumsonden ("Michigan-Typ"): dünne Siliziumschäfte mit mehreren Ableitkontakten entlang des Schafts^[4]
• Hochdichte Sonden mit integrierter Signalverarbeitung, z. B. Neuropixels: Sie leiten in Tierexperimenten gleichzeitig von Hunderten Neuronen in mehreren Hirnregionen ab.^[5]

Davon abzugrenzen sind subdural aufgelegte Elektrodengitter der Elektrokortikographie (ECoG). Ihre größeren Kontakte erfassen Summenpotentiale, aber keine Einzelzellaktivität.

Mikroelektroden-Arrays werden unter anderem in folgenden Bereichen eingesetzt:

• Grundlagenforschung: Netzwerkaktivität, synaptische Plastizität, neuronale Kodierung
• Pharmakologie und Toxikologie: Prüfung von Substanzwirkungen an neuronalen Kulturen^[6] und Kardiomyozyten^[7]
• Brain-Computer-Interfaces: In der BrainGate-Studie steuerte ein Patient mit Tetraplegie über ein Utah-Array im primären Motorkortex einen Computercursor und einfache Effektoren.^[8]

Die regulatorische Einordnung eines MEA richtet sich nach der vom Hersteller festgelegten Zweckbestimmung, nicht allein nach seiner technischen Bauart.^[9] Systeme, die ausschließlich für die Grundlagenforschung ohne medizinische Zweckbestimmung vorgesehen sind, unterliegen nicht der europäischen Medizinprodukteverordnung (MDR). Wird einem Forschungsprodukt hingegen eine medizinische Zweckbestimmung zugewiesen, kann es in den Anwendungsbereich des Medizinprodukterechts fallen.^[10]

Für die reguläre klinische Bereitstellung eines MEA als Medizinprodukt sind eine Konformitätsbewertung und eine CE-Kennzeichnung für die jeweilige Zweckbestimmung erforderlich. Ein allgemeiner Zulassungsstatus der MEA-Technologie besteht nicht; die Konformität wird produkt- und zweckbestimmungsspezifisch bewertet.^[11] Intrakortikale Arrays, die langfristig implantiert werden und in direkten Kontakt mit dem Zentralnervensystem kommen, sind nach Regel 8 des Anhangs VIII der MDR grundsätzlich der Risikoklasse III zuzuordnen. Ihre Konformitätsbewertung erfordert die Beteiligung einer Benannten Stelle; klinische Prüfungen sind für implantierbare Produkte und Klasse-III-Produkte grundsätzlich vorgesehen, soweit keine gesetzliche Ausnahme greift.^[11]

Die Anwendung eines Prüfprodukts am Menschen zur Bewertung seiner Sicherheit oder Leistung erfolgt im Rahmen einer klinischen Prüfung nach MDR und Medizinprodukterecht-Durchführungsgesetz (MPDG). Hierfür sind das vorgeschriebene Verfahren bei der zuständigen Bundesoberbehörde und die Bewertung durch eine Ethik-Kommission einzuhalten; eine fehlende CE-Kennzeichnung schließt die Einstufung als Prüfprodukt nicht aus.^[12] Im regulären klinischen Betrieb dürfen CE-gekennzeichnete Systeme nur entsprechend ihrer Zweckbestimmung, in ordnungsgemäßem Zustand sowie durch ausreichend qualifizierte und eingewiesene Personen benutzt werden.^[13]

Mikroelektroden-Arrays weisen folgende Limitationen auf:

• Implantation: invasiver Eingriff mit Risiko für Gewebeschädigung, Blutung und Infektion
• Fremdkörperreaktion: Mikrogliaaktivierung und reaktive Astrogliose können zur Ausbildung einer Glianarbe und zum Verlust von Neuronen in Elektrodennähe führen. Dadurch nimmt die Signalqualität im Verlauf ab, was die Langzeitstabilität chronischer Implantate maßgeblich begrenzt.^[14]
• Datenverarbeitung: große Datenmengen, aufwendiges Spike Sorting