Wissenschaftler erkennen Bewegungen an Hirnsignalen

Wichtiger Fortschritt bei nichtinvasiven Gehirn-Maschinen-Schnittstellen

Wissenschaftler aus Freiburg und Tübingen haben eine neue Möglichkeit gefunden, Nervensignale zur Steuerung von Bewegungen aus dem Gehirn von außen sehr viel genauer als bisher abzunehmen. Mit Hilfe von Elektroden konnten sie aus der Aktivität im Bewegungszentrum, dem Motorcortex, ablesen, in welche Richtung ein Mensch seine Hand bewegt. Bislang war eine solche Präzision der Genauigkeit nur mit Elektroden möglich, die in das Gehirn implantiert werden.

Gelungen ist das durch den Einsatz von zwei verschiedenen Techniken. Die Wissenschaftler um Carsten Mehring vom Bernsteinzentrum für Computational Neuroscience an der Universität in Freiburg setzen neben Elektroenzephalographie (EEG) auch noch Magnetoenzephalographie (MEG) ein. Per EEG werden dabei an der Kopfhaut Spannungsveränderungen gemessen, die von den elektrischen Strömen aktiver Nervenzellen herrühren. Die MEG erfasst magnetische Signale, die durch diese Ströme entstehen.

Der Versuchsaufbau: Während der Proband den Joystick bewegt, wird die Gehirnaktivität aufgezeichnet. Die Sensoren sitzen in der weißen Haube und auf dem Kopf (Foto: Carsten Mehring)

So können die Wissenschaftler anhand der Aktivitäten im Motorcortex erkennen, ob ein Proband einen Joystick mit seiner Hand nach vorn drückt, zu sich hinzieht oder nach links oder rechts kippt. Solche spezifischen Signale der Bewegungssteuerung konnten bislang nicht mit Elektroden ausgelesen werden, die außen am Kopf sitzen. Damit sei es möglich, eine intuitive Steuerung für einen Computer oder eine Prothese zu entwickeln. Diese würden dann wie mit einer Handbewegung gesteuert.

Solche Schnittstellen zwischen einem Computer und dem menschlichen Gehirn, "Brain Machine Interface" (BMI) oder auch "Brain Computer Interface" (BCI) genannt, sollen Patienten mit schweren motorischen Schädigungen oder Lähmungen ermöglichen, per Computer mit ihrer Umwelt zu kommunizieren. Dabei werden elektrische Signale aus dem Gehirn von Elektroden erfasst und dafür genutzt, einen Computer zu steuern. Die Elektroden werden entweder von außen auf den Kopf aufgesetzt oder direkt ins Gehirn implantiert. Eine implantierte Elektrode kann direkt mit einer einzelnen Nervenzelle verbunden werden und liefert deshalb sehr präzise Signale.

Ein nichtinvasives BMI ist dagegen einfacher anzuwenden und erfordert keine riskante Gehirnoperation. Dafür ist das Bild der Gehirnaktivitäten weniger deutlich. Die Freiburger Wissenschaftler vergleichen die Messung von elektrischen Nervensignalen durch die Schädeldecke hindurch mit einem Blick durch eine Milchglasscheibe.

Um dennoch brauchbare Signale zu erhalten, werden diese deshalb von ganzen Neuronengruppen abgenommen. Um damit etwa einen Computer zu steuern, müssen die Nutzer zunächst ein intensives Training absolvieren, um bestimmte elektrische Spannungsschwankungen in der Hirnrinde hervorzurufen, die dann als Steuersignale dienen.

Mehring und seine Kollegen sind aber optimistisch, dass sie mit der neuen Technik den Trainingsaufwand deutlich verringern können. Sie wollen sich nun daran machen, anhand von Versuchen mit gesunden Probanden eine entsprechende Computersteuerung zu entwickeln.