Ein fortschrittlicher, auf TMR-Sensor basierender Magnetrode zur in vivo-Aufzeichnung von LFP-Magnetfeldern

Dem Gehirn zuhören, ohne seine Funken zu berühren

Unsere Gehirne summen jede Sekunde vor winzigen elektrischen Stürmen, und das Erlernen ihres Lesens könnte zukünftige Gehirn‑Computer‑Schnittstellen antreiben, die Menschen beim Bewegen, Kommunizieren oder sogar beim Spielen allein durch Gedanken helfen. Diese Studie stellt eine neue Möglichkeit vor, die Gehirnaktivität zu belauschen — nicht durch direkte Messung der Elektrizität, sondern durch das Erfassen der schwachen Magnetfelder, die Hirnzellen erzeugen, mithilfe eines haarfeinen Geräts, einer sogenannten Magnetrode.

Eine neue Art winziger Hirnsonde

Die Forscher bauten eine Miniatursonde auf Basis des Tunnelmagnetowiderstands, einer Technologie, die ursprünglich für fortschrittliche Magnetsensoren entwickelt wurde. Die aktive Spitze ihres Geräts ist nur einige zehn Mikrometer breit, klein genug, um mit begrenztem Gewebeschaden ins Gehirn implantiert zu werden. Statt Spannung wie eine herkömmliche Elektrode aufzuzeichnen, reagiert diese Magnetrode auf winzige Magnetfelder, die entstehen, wenn sich Gruppen von Neuronen in einer nahegelegenen Region gemeinsam entladen. Diese kombinierten Signale, lokale Feldpotenziale genannt, spiegeln wider, wie Netzwerke von Nervenzellen sich bei Bewegung, Gedächtnis und Krankheit koordinieren. Das Team formte und verknüpfte die Sensorelemente sorgfältig, um die Empfindlichkeit der Sonde zu erhalten und unerwünschte magnetische Verzögerungen zu reduzieren, sodass sie langsame und schnelle Veränderungen in der Gehirnaktivität folgen kann.

Die schwächsten Hirnsignale sichtbar machen

Da die Magnetfelder von Neuronen extrem schwach sind, muss der Sensor ruhig genug sein, um sie gegen elektronische Störungen herauszufiltern. Die Autoren bestimmten, wie stark das Gerät bei verschiedenen Frequenzen und elektrischen Ansteuerungen zufällige Fluktuationen erzeugt. Sie fanden, dass niederfrequentes "1/f"‑Rauschen den Bereich dominiert, in dem viele Gehirnrhythmen liegen. Durch das Senken des Vorspannstroms, der das Gerät antreibt, und den Wechsel von einer Gleich- zu einer hochfrequenten Wechselansteuerung zeigten sie, dass dieses störende Rauschen stark unterdrückt werden kann. Die resultierenden Nachweisgrenzen lagen nur wenige Nanotesla bei einem Zyklus pro Sekunde und noch kleiner bei höheren Frequenzen und waren im Vergleich zu früheren implantierbaren Magnetsonden sowie zu deutlich größeren, nicht implantierbaren Magnetfeldinstrumenten günstig.

Test mit künstlichen und echten Hirnsignalen

Um zu prüfen, ob ihre Sonde lokale Feldpotenziale treu verfolgen kann, schuf das Team zunächst einen kontrollierten Test im Labor. Ein dünner Kupferdraht, an einen spezialisierten Neural‑Signals‑Generator angeschlossen, simulierte die koordinierten Ströme einer kleinen Gruppe von Neuronen. Die Magnetrode lag dicht an diesem Draht in einem abgeschirmten Behälter, und ihr Ausgang wurde verstärkt, gefiltert und anschließend mathematisch rekonstruiert. Nach der Verarbeitung stimmte das magnetische Signal eng mit dem Referenzmuster des lokalen Feldpotenzials überein, was zeigte, dass der Sensor und seine Elektronik die Form und das Timing dieser langsamen Hirnrhythmen wiederherstellen konnten.

Im lebenden Gehirn zuhören

Der wichtigste Test erfolgte in lebenden Ratten. Die Forscher implantierten die Magnetrode und eine Standard‑Mikroelektrode behutsam weniger als ein Zehntel Millimeter voneinander entfernt in den Hippocampus, eine tiefer liegende Hirnregion, die am Gedächtnis beteiligt ist. Da beide Geräte nahezu dieselbe Gruppe von Neuronen abtasteten, konnten elektrische und magnetische Aufzeichnungen direkt verglichen werden. Über mehrere 100‑Sekunden‑Segmente analysierte das Team die Stärke verschiedener Frequenzbänder in beiden Signalen. Die magnetischen und elektrischen Spektren stiegen und fielen gemeinsam über die wichtigsten Gehirnrhythmen, insbesondere in den Theta‑ und Beta‑Bereichen, und ein statistisches Maß für die Ähnlichkeit blieb hoch und konsistent. Im Gegensatz dazu zeigten Aufzeichnungen der Magnetrode vor der Implantation, als sie nur Hintergrundrauschen erfasste, eine deutlich schlechtere Übereinstimmung mit den elektrischen Signalen, was bestätigte, dass die im Gehirn gemessenen magnetischen Spuren tatsächlich neuronale Aktivität widerspiegelten.

Ausgelegt, um der Hirnumgebung zu trotzen

Jedes Implantat muss in warmer, salzhaltiger Gehirnflüssigkeit stabil bleiben. Um die Haltbarkeit zu testen, wurden die Magnetroden eine Woche lang in künstlicher Liquor‑Lösung bei Körpertemperatur eingeweicht. Das Team maß wiederholt, wie stark das Gerät auf Testmagnetfelder reagierte und wie sehr sich sein Widerstand veränderte. Sowohl Empfindlichkeit als auch Signalstärke drifteten um weniger als wenige Prozent, was darauf hindeutet, dass die Schutzschichten um den Sensor Korrosion wirksam verhinderten und die Sonde über die für typische Experimente erforderlichen Zeiträume zuverlässige Messwerte liefern kann.

Was das für zukünftige Gehirnschnittstellen bedeutet

Diese Arbeit zeigt, dass ein winziger implantierter Magnetsensor dieselben Gehirnrhythmen verfolgen kann, die Standardelektroden sehen, und dabei den Vorteil nutzt, dass Magnetfelder klarer durch Gewebe hindurchtreten. Für Laien ist die Kernidee, dass die Aktivität des Gehirns nicht nur durch Berührung seiner Ladungen überwacht werden kann, sondern auch durch das Fühlen ihrer magnetischen Echos. Die hier entwickelte Magnetrode ist kompakt, empfindlich und stabil genug, um als neue Art von Lauscheinstrument für das Gehirn eingesetzt zu werden und damit potenziell die Werkzeuge für Gehirn‑Computer‑Schnittstellen und die Untersuchung von Störungen, die mit abnormen neuronalen Rhythmen verbunden sind, zu bereichern.

Zitation: Wang, Y., Luo, J., Zhang, C. et al. An advanced TMR sensor-based magnetrode for in vivo LFP magnetic field recording. Microsyst Nanoeng 12, 177 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01262-9

Schlüsselwörter: magnetische Gehirnaufzeichnung, lokale Feldpotenziale, Tunnelmagnetowiderstand, neuronale Schnittstellen, Gehirn-Computer-Schnittstelle