Hirn-Halbleiter-Hybride, auf dem Weg zu Chips im Hirn?

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1 Symposium Turm der Sinne 2008 Künstliche Sinne, gedoptes Hirn Neurotechnik und Neuroethik Hirn-Halbleiter-Hybride, auf dem Weg zu Chips im Hirn? Peter Fromherz Max-Planck-Institut für Biochemie Martinsried-München Nürnberg, 11. Oktober 2008 Luigi Galvani 1798 Titanelektroden Hirnstimulator Ti-Elektroden

2 Ray Kurzweil, The Age of Spiritual Machines (New York, 1999) 2099: There is a strong trend toward a merger of human thinking with the world of machine intelligence that the human species initially created. Even among those human intelligences still using carbon-based neurons, there is ubiquitous use of neural-implant technology, which provides enormous augmentation of human perceptual and cognitive abilities. Humans who do not utilize such implants are unable to meaningfully participate in dialogues with those who do. Titanelektroden

3 auf mikroskopischer Ebene denkendes Hirngewebe auf der Basis wohldefinierter Physik rechnender Mikroprozessor 1950 Transistor Aktionspotential Doppelhelix 1948: Bardeen & Shockley 1952: Hodgkin & Huxley 1953: Watson & Crick 1985 Halbleitertechnologie Neurophysiologie Molekularbiologie in einem Labor 1. Ionen auf Elektronen 2. Elektronen auf Ionen 1. Ionenkanäle 2. Nervenzellen 3. Hirngewebe 1. Elektronische Bauelemente 2. Hochintegrierte Chips

4 Chip-Zell Kontakt Nervenzelle aus Rattenhirn auf Transistor eines Siliziumchips Zelle Oxid Abstand? Silizium

5 Zelle Oxid elektrischer Widerstand? Silizium Fluoreszenz-Interferenz-Bild Astrozyt auf Si-Chip mit SiO 2 -Terrassen 10 m 50 khz Fluoreszenz-Phasenbild HEK293-Zelle auf Kondensator-Si-Chip Abstandsmessung Widerstandsmessung Phase - F/F

6 50 nm Elektrolytfilm von Ionen zu Elektronen Zelle Ionenkanal Membran Elektrolytfilm oxide Oxid Silizium S Transistor D

7 Zelle Ionenkanal Membran oxide Oxid Silizium S U = R I Transistor D Zellen mit rekombinanten Ionenkanälen Patch-Pipette Transistoren Kaliumkanal K v 1.3 Membranstrom Transistorantwort

8 Serotonin-Rezeptor 5-HT3A 100 μm Serotonin Kaliumkanal K v 1.3 Membranstrom Transistorantwort Neurophysiologie Molekularbiologie Halbleitertechnologie von Elektronen zu Ionen

9 Zelle Membran Elektrolytfilm oxide Oxid Silizium + Ionenkanäle + Kondensator Q = C U CHIP Zelle Membran oxide Oxid + Ionenkanäle + U = R I Silizium Spannungsrampe Kondensator I = C U CHIP / t HEK293-Zellen mit Natriumkanal TiO 2 Si-Chip TiO 2 -Isolation

10 Membranspannung Kondensatorspannung schwache periodische Stimulation Silizium und Neuron distal Neuron kapazitiv Na + K + proximal Oxid Silizium Transistor

11 Ganglion aus dem Blutegel Retzius-Zelle Retzius-Zelle auf Transistor drain source Neuronsignale [mv] Transistorsignale [mv]

12 Rattenneurone auf Si/TiO 2 -Kondensator weak repetitive stimulation 15 μm Rattenneurone auf Si/TiO 2 -Kondensator 15 μm 1991 weak repetitive stimulation 2008

13 Chips mit neuronalen Netzen Traum Dream synaptische Matrix assoziatives Gedächtnis integriert mit Halbleiterchip Neuroprothese Neuromemory

14 Neuroprothese Neuromemory Neuroprothese Neuromemory Netzwerk-Interfacing ist instabil. nach 2 Tagen

15 Netz auf Chip mit montieren Zellen chemische Führung instabile Geometrie geführter Netze

16 stabile Geometrie durch topographische Führung Ausbeute? Exkurs: Chips

17 1D-Transistor-Array CMOS CMOS-Technologie Chip (TM electronmicrograph) Elektrolyt Oxid Metallschicht 1 m Metallschicht Metall Oxid Silizium 2D-Multi-Transistor Array: auf 1 mm 2 TiO 2 -Oberfläche

18 Netzwerk aus Schneckenneuronen Rattenneurone auf CMOS-Chip Netzwerk-Dynamik mit Schneckenneuronen

19 Hirngewebe auf Chip Rattenhirn Hippocampus Elektrolyt Hirngewebe Silizium Kondensator Transistor

20 Zwei-Photon Mikroskopie Kultiviertes Hippocampusgewebe Start 150 μm über Chip 100 m Transistor recording CA1 Kondensatorstimulation Transistorrecording Kondensatorstimulation CA3 100 m

21 Hippocampus Dynamik von kultiviertem Hippocampus-Slice Auflösung 7.8 μm / 6 khz akuter Hippocampus-Slice

22 akuter Hippocampus-Slice auf Transistor-Array Dynamik von akutem Hippocampus-Slice auf CMOS-Chip Zusammenfassung Ionenkanäle, Nervenzellen, Hirngewebe Kondensator, Transistor, CMOS-Chip

23 Zusammenfassung denkendes Hirngewebe rechnender Mikroprozessor Ray Kurzweil, The Age of Spiritual Machines (New York, 1999) 2099: There is a strong trend toward a merger of human thinking with the world of machine intelligence that the human species initially created. Even among those human intelligences still using carbon-based neurons, there is ubiquitous use of neural-implant technology, which provides enormous augmentation of human perceptual and cognitive abilities. Humans who do not utilize such implants are unable to meaningfully participate in dialogues with those who do. PF (1985) Brain on Line? The Feasibility of a Neuron-Silicon Junction (20 th Klosters Winterseminar Molecules, Memory, & Information )

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