• Brain-Computer Interfaces

    Mit alleiniger Gedankenkraft den Cursor am PC steuern oder Armprothesen bewegen – Brain-Computer Interfaces könnten schwerstgelähmten Menschen zu mehr Autonomie verhelfen.

     

Brain-Computer Interfaces: Mit Gedanken Maschinen steuern

Dank Brain-Computer Interfaces (BCIs) sind in naher Zukunft wichtige Innovationen für Patienten mit Querschnittslähmung, Schlaganfall oder Locked-in-Syndrom zu erwarten, so die Einschätzung von Professor Dr. Gabriel Curio, Leiter der Arbeitsgruppe Neurophysik der Klinik für Neurologie an der Charité Berlin.

Mit alleiniger Gedankenkraft den Cursor am PC steuern, Armprothesen bewegen oder auf einer mentalen Schreibmaschine tippen – Brain-Computer Interfaces könnten künftig schwerstgelähmten Menschen zu mehr Autonomie verhelfen. „Was nach Science-Fiction klingt, ist ein vielversprechender Forschungsbereich der Neuromedizin“, berichtet Curio. BCIs „lesen“ nach seiner Darstellung die elektrische Hirnaktivität der Patienten, die schon beim Gedanken an eine Bewegung entsteht und übersetzen sie in technische Steuersignale für Geräte und Maschinen.

Die Hirnrinde des Menschen enthält Milliarden elektrisch aktiver Nervenzellen, deren Signale bis zur Kopfhaut weitergeleitet werden. Die Spannungsschwankungen werden von BCIs mittels Elektroden auf der Kopfhaut als Elektroenzephalogramm (EEG) registriert. So werden Gedanken der Patienten, die sich in elektrischen Impulsen ausdrücken – etwa die Vorstellung, einen Arm zu bewegen –, in einen Befehl für die Gerätesteuerung übersetzt. Sogar über das Internet ist eine solche Kommunikation möglich. „Wir können die Gehirnaktivität wie auf einer Landkarte erfassen und das umso genauer, je mehr Elektroden wir auf der Kopfhaut anbringen“, erklärt Curio, der die Technik im interdisziplinären Forschungsprojekt „Berlin Brain-Computer Interface (BBCI)“ gemeinsam mit Professor Klaus-Robert Müller (Fachgebiet Maschinelles Lernen) und Professor Benjamin Blankertz (Fachgebiet Neurotechnologie) von der TU Berlin entwickelt.

Voraussetzung für die Umsetzung ist eine Trainingsphase, allerdings nicht für den Patienten: „Der Computer lernt, nicht der Mensch“, sagt der Forscher. Die Testperson muss sich dabei auf Kommando bestimmte Dinge vorstellen, zum Beispiel die linke oder die rechte Hand zu bewegen. Der Lernalgorithmus des Computers bekommt die Zeitpunkte der Kommandos für die linke und die rechte Handbewegung mitgeteilt und schon nach 60 bis 80 Durchläufen kann er jene Gehirnsignale erkennen, die für bestimmte Tätigkeiten typisch sind.

Roboterarme und virtuelle Schreibmaschinen – Hoffnung für schwerstgelähmte Patienten

Brain-Computer Interfaces bieten vielfältige Anwendungsmöglichkeiten und große Hoffnungen für schwerstgelähmte Patienten wie beispielsweise Patienten mit Locked-in-Syndrom oder einer amyotrophen Lateralsklerose. Curio: „Es ist unvorstellbar, was es für die Lebensqualität solcher Patienten bedeutet, wenn sie zum Beispiel eine virtuelle Schreibmaschine mit ihren Gedanken steuern können. Die Betroffenen melden sich so kommunikativ wieder in der Welt zurück“.

BCIs sind aber auch zur Steuerung von Neuroprothesen einsetzbar, etwa um einen Roboterarm mittels Gedankenkraft zu bewegen. „Mit einem Exoskelett, das voller Elektronik steckt und einem Raumanzug ähnelt, könnten Gelähmte es sogar schaffen, sich wieder auf zwei Beinen fortzubewegen“, so Curio. So führte bei der Fußball-WM 2014 in Brasilien ein Querschnittsgelähmter im Exoskelett symbolisch den Anstoß aus.

Auch in der Neurorehabilitation von Schlaganfallpatienten spielen BCIs eine Rolle. Durch Ableitung der motorischen Gehirnsignale und Neurofeedback lässt sich aufdecken, welche Signale für die Bewegungssteuerung zuständig sind. Patienten könnten so nach und nach lernen, ihr Gehirn „umzuprogrammieren“.

Elektroden auf der Kopfhaut oder als Gehirnimplantat

So vielversprechend die Entwicklung auch ist: „BCI-Systeme gibt es nicht auf Krankenschein, sie werden derzeit nur im Rahmen kontrollierter Studien getestet. Es wird noch etliche Jahre dauern, bis wir ein System haben, das die Patienten im Alltag verwenden können“, prognostiziert Curio. Zum Beispiel sind die Elektroden auf der Kopfhaut, für deren Leitfähigkeit größere Mengen Gel notwendig sind, bisher alles andere als alltagstauglich. Geforscht wird daher an Elektroden, die nur mit Metallplättchen arbeiten, oder an nahezu unsichtbaren Miniaturelektroden, die mit einem winzigen Tropfen Gel über Adhäsion an der Kopfhaut haften.

Neben diesen risikofreien nichtinvasiven Elektroden arbeiten Wissenschaftler auch mit invasiven Elektroden, die sie unter der Schädeldecke auf der Hirnhaut oder direkt in der Hirnrinde anbringen. Der Vorteil der implantierten Elektroden ist, dass sich zum Beispiel Armprothesen präziser steuern lassen.

BCIs eignen sich darüber hinaus auch für Gesunde. „Allerdings nur in der nichtinvasiven Variante“, so Curio. Die Neuroergonomie untersucht zum Beispiel die Gehirnaktivität an sicherheitskritischen Arbeitsplätzen, die besonders hohe Konzentration erfordern. In einer Studie zeichneten Forscher Gehirnsignale von Personen auf, die an einer simulierten Gepäckkontrolle wie am Flughafen arbeiteten. „Wir konnten anhand der Gehirnsignale erkennen, wann sie müde wurden und Fehler machten“, sagt Curio. Einige Unternehmen haben die Nutzung der EEG-Daten bereits für sich entdeckt: Sogenannte EEG-Stirnbänder sollen es ermöglichen, sich durch Rückmeldung des eigenen Hirnstrommusters, ähnlich dem klassischen Neurofeedback, besser zu konzentrieren. Die Hersteller können sich langfristig auch den Einsatz der Technik bei PC-Spielen oder als Fernbedienung vorstellen. „Mit der medizinischen Forschung hat diese spielerische Anwendung zwar nichts zu tun“, sagt Curio. Trotzdem: „Die Erweiterung der BCIs auf diesen Massenmarkt würde den medizinischen Anwendungen helfen, weil die Preise fallen.“

Menschen, Medizin, Machbarkeit – dürfen wir alles, was wir können?

„Die innovative Technik vermittelt uns neue Erkenntnisse über die Funktion des Gehirns und die Entwicklung neuer Therapieansätze, die den Patienten Lebensqualität zurückgeben“, so Professor Ralf Gold, erster Vorsitzender der Deutschen Gesellschaft für Neurologie. Noch ist die Anwendung der BCIs allerdings auf kontrollierte Studien beschränkt. Diese werfen nicht zuletzt aber auch neue ethische Fragen auf.

Zwar sind Gehirn-Computer-Schnittstellen ein vielversprechendes und hochinnovatives Forschungsfeld, das neue Erkenntnisse über die Funktion des Gehirns ebenso ermöglicht wie die Entwicklung neuer Therapien. Doch zur Anwendung im Alltag sind noch einige technische und auch ethische Herausforderungen zu meistern – von den erforderlichen Humanexperimenten und einer Nutzen-Risiko-Analyse der Intervention ins menschliche Gehirn bis hin zu neuen ethischen Fragen der technischen Manipulation des Menschen.

Thieme Redaktion

 

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