Implantierte Elektroden lesen Gehirnströme

Mensch-Maschine-Schnittstelle nutzt Elektroden im Kopf eines Patienten

Wissenschaftler in den USA haben eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (BCI) entwickelt, die mit implantierten Elektroden arbeitet. Vorteil gegenüber Systemen, bei denen Elektroden außen aufgesetzt werden, ist eine bessere Qualität der gewonnenen Daten. Künftig sollen solche BCIs Prothesen steuern können.

Forscher an der Mayo Clinic in Jacksonville im US-Bundesstaat Florida entwickeln eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (Brain-Computer-Interface, BCI), die mit implantierten Elektroden arbeitet. Getestet haben die Wissenschaftler um den Neurologen Jerry Shih das System an zwei Epilepsie-Patienten.

BCI mit implantierten Elektroden

BCI sind inzwischen nichts Neues mehr. Das Besondere an Shihs Projekt ist, dass seine Testpersonen nicht wie üblich Elektroden außen am Kopf sitzen haben. Seine Probanden sind Patienten, die unter Epilepsie leiden und denen deshalb Elektroden in ihren Kopf implantiert wurden. Mit Hilfe der Elektroden wollen die Wissenschaftler die Gehirnaktivität der Patienten bei Anfällen überwachen. So wollen sie herausfinden, in welchem Teil des Gehirns die Anfälle ihren Ursprung haben.

Shih bat diese beiden Patienten zum Test des BCI, da er vermutete, dass die Auflösung der implantierten Elektroden deutlich besser sein würde als die von Elektroden, die außen auf dem Kopf sitzen. "Die Haare und der Schädelknochen verzerren die Signale, in etwa wie die Erdatmosphäre das Licht der Sterne trübt", erklärt Shih. Das sei ein Grund dafür, dass die Entwicklung von BCIs nur langsam vorwärtsgehe.

Auf Felder konzentrieren

Getestet wurde das BCI an Hand einer Matrix mit sechs mal sechs Feldern, die mit Buchstaben und Ziffern gefüllt waren. Zunächst wurde das System auf die Probanden kalibriert: Sie beobachteten die Matrix und konzentrierten sich auf ein Feld, das aufleuchtete. Diese Daten zeichnete der Computer auf und passte das System an.

Anschließend dachten die Probanden an Buchstaben und Ziffern in bestimmten Feldern. Dabei erkannte das System laut Shih in fast allen Fällen den Buchstaben oder die Ziffer, die die Testperson anvisiert hatte. Zwar könnten solche Ergebnisse auch mit Systemen erzielt werden, bei denen die Elektroden außen auf dem Kopf der Testperson säßen. Allerdings sei das von ihnen entwickelte System schneller, sagte Shih.

ECoG statt EEG

Außerdem ist die lokale Auflösung bei einem System mit implantierter Elektrode, auch Elektrocorticogramm (ECoG) genannt, besser: Während das Elektroenzephalogramm (EEG) mit der aufgesetzten Elektrode eine Auflösung von mehreren Zentimetern hat, ist das ECoG bis auf einen Zentimeter genau. Nachteil ist jedoch, dass sich der Nutzer einer Gehirnoperation unterziehen muss.

"Wir suchen nach einer Möglichkeit, um die Gehirnwellen eines Patienten dazu nutzen zu können, effektiv und beständig bestimmte Aufgaben durchzuführen", sagt Shih. "Dafür brauchen die Patienten einen Computer, der ihre Gehirnwellen übersetzt. Aber diese Geräte werden immer kleiner, so dass die Möglichkeit besteht, dass sie eines Tages implantiert werden können." Dann könnte das System für unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden. So könnten Patienten, die unter Amyotropher Lateralsklerose (ALS) litten, damit einen Computer bedienen und kommunizieren. Patienten mit Rückenmarksverletzungen könnten Arm- oder Beinprothesen damit steuern.