Die Aufzeichnung neuronaler Aktivitäten ermöglicht die Funktionalität des Gehirns zu verstehen. Chip-basierte neuronale Sonden wie CMOS-basierte Mikro-Elektroden-Arrays (MEA) haben in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht und bieten eine Plattform zur gleichzeitigen Aufzeichnung neuronaler elektrischer Signale in vitro von mehreren Zellen. Dies hat die Messung der neuronalen Aktivität in Echtzeit enorm vorangetrieben. Um implantierbare Hirnstimulations-Chips zu ermöglichen, wird jedoch eine Low-Power-Schaltungsarchitektur benötigt, die neuronale Signalverarbeitung und elektrische Stimulation auf dem Chip durchführen kann. Aktuelle CMOS-basierte neuronale Sonden haben eine zu hohen Energieverbrauch, um eine vollständig implantierbare autonome Neuroprothetik zu erreichen. Daher ist Forschung erforderlich, welche energieeffiziente Bauelemente und neuartige Low-Power-Circuit-Design-Techniken zusammenbringt, um ein energieeffizientes System zu entwickeln.

Memristive Systeme mit ihren einzigartigen Eigenschaften, wie graduelle Widerstandsänderung, Pulssummierung und Schwellenwertverhalten können kompakte Schaltungen für die neuronale Datenverarbeitung ermöglichen. Daher schlagen wir vor, eine integrierte Plattform bestehend aus der Ko-Integration von memristiven Komponenten und CMOS-MEAs zu erforschen und zu entwickeln. In dem geplanten Projekt werden neuartige Memristor-CMOS-Hybridschaltungen entwickelt, um eine On-Chip-Signalverarbeitung zu ermöglich. Die Entwicklung dieser neuen Schaltungstechniken wird Türen für breitere Biosensorik-Anwendungen öffnen. Um ein so ehrgeiziges Projekt durchzuführen, wird die Expertise aus den Bereichen Bauelementherstellung und elektrische Charakterisierung, physikalische Kompaktmodellierung, CMOS-Schaltungsdesign und in vitro Charakterisierung.

Das Konsortium besteht aus Forschern des HZB, der TUB, des FZJ und des NMI und nutzt die Expertise dieser vier Partnern, die international anerkannte Akteure in ihrem jeweiligen Bereich sind. Um die neuronale Sondenplattform zu demonstrieren, werden folgende Ziele verfolgt: Ziel 1: Entwicklung intelligenter Neurosensoren durch Herstellung von memristiven Bauelemente auf CMOS-Mikro-Elektroden-Array (MEA) Neuronen-Aktivitätsmesschips. Ziel 2: Entwicklung eines Kompaktmodells für die hergestellten Baulemente, das für das Schaltungsdesign verwendet werden kann. Ziel 3: Optimierung der memristiven Schaltungsarchitektur für die energieeffiziente und zuverlässigen Verarbeitung biologischer neuronaler Signale Ziel 4: Charakterisierung der memristiven Baulemente auf dem hergestellten Chips mit geringen Pulsbreiten, um ein erweitertes Verständnis der Bauelementphysik zu bekommen.

Die ultimative Vision des Antrags ist die Entwicklung einer energieeffizienten Biosensor-Plattform, die auf memristiven Bauelement-CMOS-Hybridschaltungen basiert.