Chinesische Hydrogel-Elektroden halten Hirnsignale stundenlang stabil und ermöglichen eine Tippgenauigkeit von über 94 Prozent

Eine sanftere Verbindung zur Kopfhaut hält Hirnsignale länger lesbar

Forschende der Guangxi University, der Guangxi Medical University und der Tsinghua University haben Hydrogel-Elektroden entwickelt, die bei einem visuellen Tippversuch über 14 Stunden in Ruhe eine Genauigkeit von mehr als 94 Prozent ermöglichten. In einem weiteren Experiment zeichneten die Elektroden acht Stunden lang stabile Hirnsignale auf, während eine Versuchsperson ging, aß, las und schlief.

Die in npj Flexible Electronics beschriebene Vorrichtung soll ein praktisches Problem bei Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCIs) lösen: Sensoren über einen Großteil des Tages zuverlässig mit einer Person in Bewegung in Kontakt zu halten. Herkömmliche Elektroden können an Signalqualität verlieren, wenn ihr leitfähiges Gel austrocknet oder sich der Kontakt zur Kopfhaut verschiebt.

Die Forschenden bezeichnen ihre Vorrichtung als hautimitierende adaptive Gradientenelektrode. Ihre Struktur verändert sich allmählich: Eine weiche Oberfläche liegt an der Kopfhaut an, während ein festeres Ende mit elektronischen Geräten verbunden wird. Auch die Poren im Material variieren in ihrer Größe. Dadurch kann es den Elektrolyten abgeben, der für den elektrischen Kontakt benötigt wird.

Das beste Ergebnis beim Tippen wurde bei einer Aufgabe erzielt, bei der eine Versuchsperson auf eine blinkende virtuelle Tastatur schaute. Bei einer anderen Aufgabe mit bewegten visuellen Zielen lag die Genauigkeit bei über 90 Prozent. Zusammen mit dem Aufzeichnungsexperiment bei alltäglichen Aktivitäten deuten die Ergebnisse auf Geräte hin, die auch außerhalb streng kontrollierter Laborsitzungen funktionieren könnten.

Für Menschen, die solche Systeme künftig möglicherweise zur Kommunikation oder für eine längere Überwachung nutzen, ist ein zuverlässiger Kontakt ebenso wichtig wie eine erfolgreiche Demonstration von wenigen Minuten. Ein Sensor muss weiterhin brauchbare Daten erfassen, während sich die tragende Person anders hinsetzt oder hinlegt, ruht oder alltäglichen Aktivitäten nachgeht.

Was der Tippversuch tatsächlich umfasste

Das Team integrierte die Elektroden in eine handelsübliche Elektroenzephalografie-Kappe (EEG-Kappe). Bei einem EEG wird die mit dem Gehirn verbundene elektrische Aktivität über Sensoren auf der Kopfhaut gemessen. Bei einem BCI verarbeitet eine Software diese Messungen und wandelt ausgewählte Muster in Befehle um.

Das Ruheexperiment dauerte 14 Stunden. Dabei absolvierte eine Versuchsperson in stündlichen Abständen Tests. Bei der stationären Tippaufgabe blickte sie auf blinkende Tasten einer virtuellen Tastatur, um die Zahlen eins bis neun und Datumsangaben einzugeben. Die Genauigkeit lag bei über 94 Prozent.

Ein visuell gesteuertes BCI nutzt die Reaktion des Gehirns auf das, was eine Person betrachtet. Die Tastatur bietet eine festgelegte Auswahl möglicher Eingaben. Anhand der aufgezeichneten Reaktion ermittelt das System die gewünschte Auswahl. Die Versuchsperson kommuniziert also durch ihre Aufmerksamkeit für eine Anzeige, statt Tasten physisch zu drücken.

Bei der anderen Aufgabe bewegten sich farbige Linien über virtuelle Quadrate, während sich die Versuchsperson auf bestimmte Ziele konzentrierte. Die Genauigkeit lag bei über 90 Prozent. Die Bewegung war hier Teil der visuellen Aufgabe; die achtstündige Aufzeichnung bei alltäglicher körperlicher Aktivität stammte aus einem separaten Experiment.

Diese Unterscheidung hilft, die Ergebnisse praktisch einzuordnen. Die Studie untersuchte sowohl, ob die Elektroden Hirnsignale bei alltäglichen Bewegungen aufzeichnen konnten, als auch, ob sie bei wiederholten BCI-Tests während einer langen Ruhephase genaue Eingaben ermöglichten.

Warum herkömmliche Elektroden an Leistung verlieren

Herkömmliche EEG-Nasselektroden bestehen häufig aus einem starren Metallteil und leitfähigem Gel. Das Gel hilft dabei, elektrische Signale über den Kontakt zwischen Haut und Sensor zu leiten. Wenn Wasser verdunstet, wird diese Verbindung weniger zuverlässig.

Die Forschenden nennen für herkömmliche Nasselektroden eine typische stabile Betriebsdauer von etwa zwei bis vier Stunden. Bei ihrem Vergleich mit handelsüblichen Gelelektroden waren einige herkömmliche Aufzeichnungskanäle nach etwa vier bis fünf Stunden aufgrund der Austrocknung kaum noch nutzbar. Ein Kanal ist eine einzelne Aufzeichnungsverbindung im EEG-System.

Bewegung bringt eine weitere Schwierigkeit mit sich. Eine starre Elektrode liegt auf weicher, flexibler Haut auf, und beide Oberflächen reagieren unterschiedlich auf Bewegungen. Schon kleine Verschiebungen können unerwünschte elektrische Veränderungen verursachen, sogenannte Bewegungsartefakte, die es erschweren, das Hirnsignal zu erkennen.

Die gesamte Elektrode weich zu gestalten, löst nur einen Teil des Problems. Die Kontaktfläche zur Kopfhaut muss flexibel sein, während die Verbindung zum Aufzeichnungsgerät mechanischen Halt braucht. Bei der neuen Konstruktion haben verschiedene Teile derselben Elektrode unterschiedliche Eigenschaften.

Wie das Hydrogel von weich zu fest übergeht

Hydrogele sind Polymernetzwerke, die Wasser binden. Für diese Elektrode verwendeten die Forschenden eine Vorläufermischung aus einem leitfähigen Polymer und Silber-Nanoschichten. Sie gossen die Mischung in Formen und froren sie ein, um eine erste Struktur zu erzeugen.

Bei anschließenden Gefrier- und Auftauzyklen erwärmten sie eine Seite und kühlten die andere. Der entstehende Temperaturunterschied trug dazu bei, eine ungleichmäßige innere Struktur zu erzeugen, statt eines Materials mit überall identischen Eigenschaften.

Der Herstellungsmechanismus beruht auf dem Marangoni-Effekt, bei dem Unterschiede in der Oberflächenspannung Flüssigkeiten in Bewegung versetzen. Die Forschenden nutzten einen Temperaturgradienten, um eine ungleichmäßige Vernetzung herbeizuführen, also die Bildung von Verbindungen innerhalb des Polymernetzwerks. Dadurch entstand in einigen Bereichen ein dichteres Netzwerk als in anderen.

Die fertige Elektrode weist einen allmählichen Wechsel der Steifigkeit auf. Ihr weicheres Ende schmiegt sich besser an die Kopfhaut an, während das festere Ende die Verbindung zur Schaltung stabilisiert. Die Konstruktion ist von der Haut inspiriert, deren Schichten unterschiedliche mechanische Eigenschaften haben.

Auch die inneren Poren verändern sich entlang der Elektrode allmählich. Den Forschenden zufolge ermöglicht diese Struktur eine anhaltende Elektrolytabgabe. Elektrolyte enthalten bewegliche geladene Teilchen, die zur elektrischen Leitfähigkeit beitragen. Eine kontinuierliche Versorgung an der Kontaktfläche trägt daher dazu bei, die Aufzeichnungsverbindung länger aufrechtzuerhalten.

Das Material erfüllt somit in einer einzigen Struktur zwei miteinander verbundene Anforderungen: einen bewegungstoleranten physischen Kontakt und eine leitfähige Schnittstelle, die beim Tragen länger funktioniert.

Was bei acht Stunden alltäglicher Aktivität geschah

Für das Aufzeichnungsexperiment mit einer Versuchsperson kam eine Kappe mit acht EEG-Kanälen zum Einsatz, die Daten drahtlos an einen Computer übermittelte. Die Versuchsperson trug sie beim Gehen, Essen, Lesen und Schlafen. Acht Stunden lang blieben die Aufzeichnungen stabil.

Diese Aktivitäten stellen unterschiedliche Anforderungen an den Kontakt zwischen Elektrode und Kopfhaut. Beim Gehen entstehen wiederholte Bewegungen, beim Essen werden die Muskeln im Kopfbereich bewegt, und im Schlaf verändert sich die Lage, in der der Kopf ruht. Aufzeichnungen bei all diesen Aktivitäten aufrechtzuerhalten, ist ein zentraler Bestandteil des Bemühens des Teams, EEG weniger von Bewegungslosigkeit abhängig zu machen.

Die berichteten Testzeiträume lassen sich anhand von drei konkreten Ergebnissen einordnen:

• Nach etwa vier bis fünf Stunden waren beim Vergleichsexperiment einige Kanäle mit handelsüblichen Gelelektroden kaum noch nutzbar.
• Über acht Stunden alltäglicher Aktivitäten hinweg zeichneten die Gradientenelektroden stabile EEG-Signale auf.
• Bei wiederholten visuellen Tippversuchen während einer 14-stündigen Ruhephase lag die Genauigkeit bei über 94 Prozent; bei der Aufgabe mit bewegten visuellen Zielen waren es mehr als 90 Prozent.

Die acht Stunden stabiler Aufzeichnungen bei alltäglichen Aktivitäten waren etwa doppelt so lang wie die Obergrenze von zwei bis vier Stunden, die die Forschenden als typisch für herkömmliche Nasselektroden angeben. Bei der längeren Ruhephase wurde die Leistung unter anderen Bedingungen getestet, nämlich mit weniger körperlicher Bewegung.

Die Ergebnisse beziehen sich auf längere Aufzeichnungen und bestimmte Auswahlaufgaben. Für künftige Nutzer könnte der praktische Vorteil darin bestehen, dass es während einer Überwachungs- oder Kommunikationssitzung seltener zu Unterbrechungen durch einen nachlassenden Sensorkontakt kommt.

Von einer Laborcharge zum tragbaren Gerät

Nach Angaben des Teams lassen sich in einem Produktionsdurchgang 300 Elektroden herstellen. Ihre Abmessungen können an handelsübliche EEG-Kappen angepasst werden. Die Kompatibilität mit bestehenden Kappen eröffnet der Konstruktion einen Weg in Geräte, die bereits zur Positionierung von Sensoren am Kopf eingesetzt werden.

Die Forschenden beschreiben das Verfahren als für eine Herstellung zu angemessenen Kosten geeignet. In den Beschreibungen der Studie wurden weder ein Preis pro Elektrode noch ein Termin für die Markteinführung, die Gesamtzahl der Versuchspersonen oder die Tippgeschwindigkeit genannt. Diese Angaben würden helfen, die Erschwinglichkeit, die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf verschiedene Nutzer und die mögliche Kommunikationsgeschwindigkeit einzuschätzen.

Vor den Versuchen mit Menschen testete das Team die Biokompatibilität an Mäusen und berichtete von keinen unerwünschten Reaktionen. Biokompatibilität beschreibt, wie ein Material mit lebendem Gewebe interagiert und ob der Kontakt beispielsweise unerwünschte Reaktionen auslöst.

Die Ergebnisse zur Herstellung und Kompatibilität sind ebenso wichtig wie die Angaben zur Genauigkeit. Eine tragbare Elektrode für den wiederholten Gebrauch braucht eine reproduzierbare Struktur, eine passende Form und eine verträgliche Hautkontaktfläche sowie ein starkes elektrisches Signal.

Einordnung in Chinas BCI-Forschung

Die China Academy of Information and Communications Technology bezeichnet die Elektrodenqualität und den Tragekomfort in ihrem BCI-Forschungsbericht 2025 als zentrale Entwicklungsbereiche. Die Beispiele darin zeigen, dass Forschende verschiedene Wege verfolgen, um den Kontakt zwischen Sensoren und Körper zu verbessern.

An der Sun Yat-sen University entwickelten Forschende ein Pflaster mit Trockenelektroden und Mikronadeln. Laut dem Bericht der Akademie verbesserte die Konstruktion die Signalqualität im Vergleich zu einer herkömmlichen flachen Struktur und erreichte eine Signalpräzision auf dem Niveau einer einzelnen Mikronadel.

Die Technische Universität Ilmenau in Deutschland entwickelte Trockenelektroden mit schrägen, blütenförmig angeordneten Stiften. Dem Bericht zufolge verbessert diese Anordnung den Komfort beim Sitzen und Liegen auf dem Rücken und ist daher für Menschen relevant, die lange im Bett liegen.

Der Ansatz des Hydrogel-Teams konzentriert sich auf eine andere Kombination von Eigenschaften: einen allmählichen Wechsel der Steifigkeit und eine kontinuierliche Elektrolytversorgung. Allen Konstruktionen gemeinsam ist das praktische Ziel, brauchbare Signale zu erfassen, ohne längeres Tragen unangenehm oder unzuverlässig zu machen.

Nach Angaben der Akademie setzen mehr als 80 Prozent der BCI-Unternehmen weltweit auf nichtinvasive Technologien, während knapp 20 Prozent an invasiven Ansätzen arbeiten. Den größeren Anteil nichtinvasiver Verfahren führt sie auf Sicherheitsvorteile, eine höhere Marktakzeptanz, niedrigere Entwicklungskosten und kürzere Kommerzialisierungszyklen zurück.

Warum längere Aufzeichnungen für die Gesundheitsversorgung wichtig sind

Ältere Menschen und Patientinnen und Patienten mit chronischen Erkrankungen zählen zu den Gruppen, die von längeren Aufzeichnungen mit tragbaren Geräten profitieren könnten. Der Bericht der Akademie sieht eine kontinuierliche Datenerfassung als besonders geeignet für eine Versorgung an, die über längere Zeiträume eine stabile Überwachung erfordert.

Schlaf ist ein konkretes Beispiel. Der Bericht nennt Geräte zur Überwachung des Schlafs für Verbraucher als bereits verfügbare nichtinvasive Produkte für die Gehirngesundheit und führt Schlafstörungen als eines der medizinischen Anwendungsgebiete an, an denen gearbeitet wird. Eine Elektrode, die bei Lagewechseln im Liegen verbunden bleibt, deckt in diesem Bereich einen praktischen Bedarf ab.

Die Hydrogel-Forschenden nennen außerdem die neurologische Forschung und die klinische Überwachung als mögliche Anwendungsgebiete, darunter mögliche Warnungen im Zusammenhang mit Epilepsie. Eine zuverlässige EEG-Erfassung liefert die dafür benötigten Daten. Ein klinischer Warndienst müsste zusätzlich Verfahren zur Auswertung dieser Daten und zur Überprüfung der Warnungen bei Patientinnen und Patienten umfassen.

Auch die Kommunikation ist ein mögliches Einsatzgebiet. Laut der Akademie sollen BCI-Produkte Menschen mit amyotropher Lateralsklerose und anderen Bewegungsbehinderungen dabei helfen, Texte einzugeben oder Geräte zu steuern. Für Menschen, die Buchstaben über eine Anzeige auswählen, könnte eine stabile Verbindung den Zugang auch über längere Sitzungen hinweg sichern.

Die Studie rückt diese Möglichkeiten näher an eine praktische Frage des Tragens: Kann eine Elektrode über Stunden hinweg brauchbar bleiben, während jemand seinem Alltag nachgeht? Der zentrale Beitrag ist eine Materialstruktur, die bei Bewegung Aufzeichnungen aufrechterhielt und während längerer Tests genaue visuelle Eingaben ermöglichte.

Die wichtigsten Punkte

• Forschende der Guangxi University, der Guangxi Medical University und der Tsinghua University entwickelten Hydrogel-Elektroden, deren Steifigkeit sich allmählich verändert.
• Bei wiederholten Tests während einer 14-stündigen Ruhephase lag die Genauigkeit beim visuellen Tippen bei über 94 Prozent.
• In einem separaten Experiment blieben EEG-Aufzeichnungen beim Gehen, Essen, Lesen und Schlafen acht Stunden lang stabil.
• Der weiche Kontakt zur Kopfhaut, die festere Verbindung zur Schaltung und die unterschiedlich großen Poren wirken Bewegungsproblemen und dem Austrocknen an der Elektrodenkontaktfläche entgegen.
• Das Verfahren ermöglicht die gleichzeitige Herstellung von 300 Elektroden in Größen, die mit handelsüblichen EEG-Kappen kompatibel sind.
• Mögliche Anwendungsgebiete sind Kommunikation, Schlafüberwachung und neurologische Versorgung. Für konkrete klinische Anwendungen ist eine weitere Prüfung erforderlich.