Ein Gedanke genügt: Gehirn steuert Maschine

09/09/2015
Foto: BCI-gesteuerte Schreibmaschine

Die BCI-gesteuerte Schreibmaschine ermöglicht die Eingabe und Korrektur von Texten, auch wenn ein Patient sogar seine Augenbewegungen nicht mehr kontrollieren kann (etwa bei fortgeschrittener ALS); © TU Berlin/Pressestelle/Dahl

Allein mit Gedankenkraft den Cursor am PC steuern, Armprothesen bewegen oder auf einer mentalen Schreibmaschine tippen – Brain-Computer Interfaces (BCIs) könnten künftig schwerstgelähmten Menschen zu mehr Autonomie verhelfen. "Was nach Science-Fiction klingt, ist ein vielversprechender Forschungsbereich der Neuromedizin. Hier sind in naher Zukunft wichtige Innovationen für Patienten mit Querschnittslähmung, Schlaganfall oder Locked-in-Syndrom zu erwarten", erklärt Neurologe Prof. Gabriel Curio, Leiter der Arbeitsgruppe Neurophysik der Klinik für Neurologie an der Charité Berlin.

BCIs "lesen" die elektrische Hirnaktivität der Patienten, die schon beim reinen Gedanken an eine Bewegung entsteht, und übersetzen sie in technische Steuersignale für Geräte und Maschinen. "Die innovative Technik ermöglicht uns neue Erkenntnisse über die Funktion des Gehirns und neue Therapieansätze, die den Patienten ein Stück Lebensqualität zurückgeben", so Prof. Ralf Gold, erster Vorsitzender der Deutschen Gesellschaft für Neurologie. Noch ist die Anwendung der BCIs allerdings auf kontrollierte Studien beschränkt – und sie werfen neue ethische Fragen auf.

Die Hirnrinde eines 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; selbst über das Internet ist solch eine Kommunikation möglich. "Wir können die Gehirnaktivität wie auf einer Landkarte umso genauer erfassen, je mehr Elektroden wir auf der Kopfhaut anbringe"“, erklärt Curio, der die Technik im interdisziplinären Forschungsprojekt "Berlin Brain-Computer Interface (BBCI)" gemeinsam mit Prof. Klaus-Robert Müller (Fachgebiet Maschinelles Lernen) und Prof. Benjamin Blankertz (Fachgebiet Neurotechnologie) von der TU Berlin entwickelt.

Um allein mit Gedanken eine Maschine steuern zu können, steht am Anfang eine Trainingsphase, allerdings nicht für den Patienten: "Der Computer lernt, nicht der Mensch", sagt Curio. Eine Person muss sich dabei auf Kommando bestimmte Dinge vorstellen, zum Beispiel die linke oder die rechte Hand zu bewegen. Der Lernalgorithmus des Computers bekommt dabei die Zeitpunkte der Kommandos für die linke und die rechte Handbewegung mitgeteilt. Schon nach 60 bis 80 Durchläufen kann er jene Gehirnsignale erkennen, die für bestimmte Tätigkeiten typisch sind.

Brain-Computer Interfaces bieten vielfältige Anwendungsmöglichkeiten und große Hoffnungen für schwerstgelähmte Patienten. Etwa für Menschen mit Locked-in-Syndrom. Unvorstellbar, was es für die Lebensqualität dieser Patienten bedeutet, wenn sie zum Beispiel eine virtuelle Schreibmaschine allein mit ihren Gedanken steuern können.

BCIs sind aber auch für Neuroprothesen einsetzbar, etwa um einen Roboterarm mittels Gedankenkraft zu steuern. "Mit einem Exoskelett, das voller Elektronik steckt und einem Raumanzug ähnelt, könnten Gelähmte es sogar schaffen, sich wieder auf zwei Beinen fortzubewegen", erklärt Curio. 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".

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 viel präziser steuern lassen.

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. "Bisher war die Grenze zwischen Mensch und Technik scheinbar klar zu ziehen. Aber wie gehen wir damit um, wenn menschliche Entscheidungsfindung und Technik ineinandergreifen und diese Grenze zunehmend verschwimmt?", gibt Curio zu bedenken.

MEDICA.de; Quelle: Deutsche Gesellschaft für Neurologie

Mehr über die Deutsche Gesellschaft für Neurologie finden Sie unter: www.dgn.org