Hoffnung für Gelähmte? Kommunikation per Gehirnsignal
Derzeit arbeiten Forscher daran, wie Signale des Gehirns vom Computer oder anderen Geräten ausgelesen werden können, um damit Gerätschaften zur Fortbewegung oder zur Kommunikation nutzen zu können. Die Forschung soll bereits so weit fortgeschritten sein, dass erste klinische Anwendungen in Aussicht stehen, verspricht Dr. Jonathan Wolpaw, Leiter des Symposiums "Brain-Computer Interfaces for Communication and Control."
So habe die Arbeit des Forscherteams um Douglas J. Weber von der kanadischen University of Alberta zur Entwicklung einer implantierbaren Mikroelektroden-Phalanx geführt, die Nervenreflexe aus Beinbewegungen aufzeichnet und daraus in Kombination mit einer neuen Analysetechnik die akkurate Vorhersage von Beinstellungen erlaubt. Die Technik basiert auf dem Fakt, dass mehrere zusammenarbeitende Sensoren des Körpers – etwa in den Muskeln oder Haut – dem zentralen Nervensystem wichtige Rückmeldungen für die Bewegungskontrolle liefern. Ist diese Signalübertragung gestört oder unterbrochen, erreichen die Daten nicht mehr das Gehirn und können von diesem nicht mehr zur Bewegungskontrolle verwendet werden. Lähmungen vereiteln zudem, dass die für die motorische Steuerung verantwortlichen Gehirnregionen ihre Signale zu den Muskeln leiten können.
Die Arbeit von Weber und seinen Kollegen soll nun zeigen, dass es möglich ist, die Rückmeldungen der körpereigenen Sensoren zu empfangen und sie zur Steuerung einer Prothese zu nutzen, so dass Betroffene zumindest einen Teil ihrer Kontrolle über die eigenen Bewegungen zurückerhalten könnten. Per chirurgischem Eingriff müssen Anordnungen von 36 Mikroelektroden ins Ganglion der Hinterwurzel der Wirbelsäule implantiert werden, in einen schwer erreichbaren Teil der Rückenmarksnerven, deren Nervenzellkörper solche natürlichen Sensoren enthalten.
Die Drähte der Mikroelektroden werden durch einen kleinen elektrischen Leiter aus dem Körper geführt. Während normaler motorischer Aktivität, wie etwa Laufen, werden darüber die Signale verschiedener Sensornerven und gleichzeitig per Digitalkamera die Beinstellung aufgezeichnet, woraus eine mathematische Analsye die Zusammenhänge ermittelt. Weniger als zehn Neuronen sollen dabei benötigt werden, um Bewegungspfade des Beins vorhersagen zu können, was für den Prothesenbau vorteilhaft sein könnte.
Auch andere Forscher arbeiten daran, die Geräte für die Aufzeichnung neuraler Aktivität möglichst klein und portabel zu machen. Dazu zählen die Forschungsgruppen der Brown University in Providence und das Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, Kalifornien, welche die Schwächen aktueller Aufzeichnungssysteme beseitigen wollen.
Laut Mohammad Mojarradi vom JPL liegt der Vorteil drahtloser Signalübertragung darin, dass damit Gehirnaktivität auch von einem sich bewegenden Patienten aufgenommen werden könne, was die Neuro-Chip-Entwicklung für komplexere Mobilitätsfunktionen vereinfachen soll. Bisher werden passive Geräte genutzt, die viele Kabel und einen stillgehaltenen Kopf benötigen; wichtiger wäre jedoch eine Aufzeichnung auch ohne eingeschränkte Bewegung, um komplexe Bewegungsabläufe analysieren zu können. Das von JPL ersonnene Implantat zur Platzierung unter der Kopfhaut nutzt viele analoge rauscharme Verstärker, welche die Signale von mit dem Cortex verbundenen Mikroelektroden verstärken, sowie einen aus der Ferne programmierbaren On-Board-Prozessor und eine Zwei-Wege-Funkverbindung zum Sensordatenversand. Das Ziel ist hier allerdings noch nicht erreicht, denn die Forscher streben eine Ein-Chip-Lösung an. Erst damit können permanente Implantate für Patienten mit Lähmungen oder anderen Hirnleistungsstörungen verwirklicht werden.
Das in Massachusetts beheimatete Unternehmen Cyberkinetics arbeitet mit dem Team um Mijail D. Serruya von der Brown University ebenfalls an einem implantierbaren BCI für menschliche Patienten. "BrainGate" soll Patienten helfen, schnell und präzise eine Computertastatur und Maus steuern zu können. Das BrainGate-BCI besteht aus Mikroelektroden, die in den Bewegungs-Cortex eingepflanzt werden, einem externen Karren mit Computerhardware sowie Software, welche die neuralen Signale dekodiert. Erste Tests am Menschen sollen 2004 starten, mit vier oder fünf Personen, die keinerlei Kontrolle über ihre vier Extremitäten mehr haben. Als Erstes werde dann untersucht, wie die Nervensignale in Steuerbefehle für einen Computer übersetzt werden können.
Ein weiteres Projekt, das auf dem vom 8. bis 12. November 2003 dauernden Symposium präsentiert wird, ist von der University of Pittsburgh. Unter der Leitung von Andrew Schwartz arbeitet man dort daran, Roboterprothesen mittels Hirn-Implantat steuern zu können. Hier setzt man allerdings noch auf Tierversuche mit einem Affen, der erst am virtuellen Roboterarm auf einem Bildschirm übte und nun auch einen echten Roboterarm so steuern können soll, dass er von den Forschern hochgehaltene Gegenstände damit erreicht. Als wirkliches Werkzeug soll der Affe den Arm jedoch noch nicht begriffen haben.
In Jonathan Wolpaws Labor im Wadsworth Center des New York State Department of Health wird versucht, auf Operationen zu verzichten. Dabei kommt ein BCI ohne Operation zum Einsatz, welches ein EEG durch die Schädeldecke aufnimmt und eine schnelle mehrdimensionale Kontrolle eines Bewegungssignals bieten soll. Dabei werde eine Geschwindigkeit und Genauigkeit erreicht, die der von Affen mit Implantaten gleichkomme. Möglich sei dies durch einen sich ständig anpassenden Trainings-Algorythmus, der die von einer Person am besten beherrschten Hirnwellen erkennt, zur Steuerung heranzieht und versucht zu fördern. Die ersten Ergebnisse lassen hoffen, dass Menschen mit schweren motorischen Behinderungen Hirnsignale zur Steuerung von Roboterarmen oder Neuroprothesen nutzen können, auch ohne die Risiken einer Implantation von Elektroden ins Gehirn.
Auch in Deutschland gibt es Versuche mit Gehirn-Computer-Schnittstellen, beispielsweise an der Universität Tübingen. Die Forschungsergebnisse von Andrea Kübler weisen laut der Society for Neuroscience darauf hin, dass selbst einfache BCIs die Lebensqualität von Schwerstbehinderten enorm verbessern und Indizien dafür geben, dass selbst vollständig Gelähmte wieder etwas mehr Freude am Leben haben könnten, selbst wenn ihnen damit nur eine beschränkte Kommunikation mit Familienmitgliedern und Pflegepersonal ermöglicht werde.