Gedanken machen mobil
Wundermittel "Brain-Computer"?
Auf einem Bildschirm einzelne Buchstaben auszuwählen oder einen Cursor zu bewegen, das ist nichts Ungewöhnliches. Das aber allein mit der eigenen Vorstellungskraft zu schaffen, ohne dabei auch nur einen Finger zu bewegen, dagegen schon.
Mit dem Brain-Computer-Interface (BCI) haben Wissenschaftler an der TU Graz eine Technologie entwickelt, die menschliche Gedanken in Steuersignale für solche Computeranwendungen umwandelt. Kombiniert mit speziellen Stromimpulsen könnte diese Computer-Gehirn-Schnittstelle gelähmten Menschen in einigen Jahren dabei helfen, Hände oder Arme wieder zu bewegen.
Das System liest im Gehirn
Jeder Gedanke, jede Vorstellung löst im menschlichen Gehirn ein wahres Nervengewitter aus und verändert seine elektrischen Aktivitäten. Angeschlossen an einen Verstärker werden die Gehirnströme von Elektroden als Elektroenzephalogramm (EEG) gemessen.
Das BCI filtert aus diesen EEG-Mustern bekannte Kommandos heraus und löst schließlich ein Steuersignal aus. Bis sich aber durch reine Vorstellungskraft am Bildschirm wirklich etwas bewegt, braucht es viel Geduld und Übung. „Man kann Patienten nicht Elektroden auf den Kopf setzen und sie können sofort etwas steuern, so einfach funktioniert das nicht“, erklärt Gernot Müller-Putz vom BCI-Labor in Graz.
Den gelähmten Arm bewegen
Einer, der jahrelang trainiert und damit sozusagen Pionierarbeit für die Forschung geleistet hat, ist Thomas S. Seit einem Badeunfall 1998 ist der Steirer vom Hals abwärts gelähmt, nur den Kopf und den linken Arm konnte er noch ein wenig bewegen. Heute kann er einfache Handgriffe wieder selbst erledigen – ein Glas angreifen, heben und daraus trinken. Seine linke Hand gehorcht ihm wieder. Konsequentes Training und eine Neuroprothese, die die Muskeln in seinem Unterarm stimuliert (eingerichtet von der Orthopädischen Universitätsklinik Heidelberg), hat das scheinbar Unmögliche möglich und ihn wieder etwas selbstständiger gemacht.
Fuß lenkt Hand
Mithilfe des Brain-Computer Interface haben die Grazer Wissenschaftler für Thomas eine Art Bypass entwickelt. Müller-Putz: „Die Befehle, die im Gehirn erzeugt werden, können bei Gelähmten nicht mehr auf direktem Weg durch das Rückenmark weitergeleitet werden. Deshalb leiten wir sie zum BCI. Dort wird das Steuersignal erzeugt, an den Muskelstimulator übermittelt und der bewegt den Muskel.“ Und innerhalb von wenigen Sekunden greifen die Finger zu.
Das Kuriose daran: Thomas stellt sich dabei vor, er bewege seine Beine. „Weil sich beim Training herausgestellt hat, dass ihm das leichter fällt, als sich auf die Hände zu konzentrieren. Wir benutzen also seine Fußbewegungsvorstellung und schalten damit seine Hand ein. Das ist technisch möglich“, sagt Müller-Putz. Er schildert den Ablauf genauer: „Das BCI ist so konzipiert, dass die Finger aufgehen, sobald es das erste bekannte Muster erfasst. Der Patient sucht sich also ein Glas und gibt den Befehl ‚Fuß bewegen‘. Das BCI erkennt diese Bewegung und schickt ein Signal an den Stimulator, der wiederum aktiviert die Elektrode am Unterarm.“ Diese Elektroden stimulieren die Muskeln mit Stromimpulsen und schon greifen die Finger zu.
Virtuelle Ausflüge
Im Grazer BCI-Labor laufen fast täglich Messungen, auch mit Studenten und Freiwilligen. Mit Thomas arbeiten die Forscher seit fast neun Jahren. „Er ist schon eine Art Mitarbeiter von uns. Wir waren mit ihm auch in London und haben Messungen in einer virtuellen 3D-Umgebung durchgeführt“, erzählt Müller-Putz.
Im Londoner CAVE-Labor (Computer Animated Virtual Environment) werden ganze Räume zur virtuellen Welt. Thomas hat es ausprobiert. Dabei hat er sich, in seinem Rollstuhl sitzend und mit der 3D-Brille im Gesicht, seinen Weg durch eine Straße mit Passanten gebahnt. Ein Modell für die Zukunft. Der Wissenschaftler kann sich das durchaus vorstellen, und zwar für Menschen, die lernen müssen, mit einer Neuroprothese umzugehen. Oder um den Umgang mit einem Rollstuhl zu üben, der eines Tages vielleicht mithilfe der BCI-Technologie gesteuert wird.
Ein ähnliches Szenario, das für Müller-Putz denkbar wäre, sind rein über das Gehirn gesteuerte Ausflüge, in denen zum Beispiel Naturbilder vor dem geistigen Auge erscheinen. Dadurch hätten auch Menschen, die körperlich nicht mehr dazu in der Lage sind, die Möglichkeit sich „in einer Landschaft zu bewegen und Abenteuer zu erleben.“
Mit den Augen schreiben
Das Brain-Computer-Interface hilft aber nicht nur Querschnittgelähmten, wieder etwas mobiler zu werden, oder Schlaganfallpatienten, bestimmte Teile ihres Gehirns zu trainieren. Es ermöglicht auch Menschen, die nicht mehr sprechen können, wieder zu kommunizieren. Zum Beispiel Patienten, die unter einer Erkrankung des zentralen Nervensystems (Amyotropher Lateralsklerose, kurz ALS) leiden.
Bei dieser Krankheit nehmen die Bewegungsfunktionen des Körpers immer weiter ab, bis die Patienten nicht mehr gehen können, ihre Hände und Finger nicht mehr gehorchen, sie nicht mehr selbstständig atmen oder mit den Augen zwinkern können. Der Mensch ist dann in seinem eigenen Körper „gefangen“. Experten bezeichnen diesen Zustand als „Locked-in“-Status. Kommunizieren trotz völliger Reglosigkeit? Möglich ist das mit einer speziellen Software, die EEG-Signale in Buchstaben übersetzt. Dabei sind auf dem Computer-Bildschirm Buchstaben und Satzzeichen dargestellt: Der Patient muss sich lediglich auf den gewünschten Buchstaben konzentrieren. Ein System, mit denen Locked-in-Patienten sogar wieder E-Mails schreiben können.
„Betreuerinsel“
Bis das BCI außerhalb des Labors anwendungsfähig ist, wird es nach Einschätzungen des Experten noch einige Jahre dauern. Zum einen ist der Umgang mit EEG-Hauben noch sehr umständlich: Bevor die Haube aufgesetzt werden kann, muss klebriges Gel auf die Kopfhaut aufgetragen werden. Prototypen für Trockenelektroden gibt es jedoch bereits.
Zum anderen braucht das „Richtig-Denken-Lernen“ die Unterstützung von Experten, die das BCI auch individuell auf jeden Patienten einstellen. Müller-Putz kann sich jedoch vorstellen, dass BCI-Experten in Zukunft als eine Art „Betreuerinsel“ fungieren. So könnten mehrere Patienten unter Aufsicht der Wissenschaftler mit ihren Angehörigen kommunizieren und Anweisungen für den Umgang mit EEG und Computer erhalten.
Ähnliche Erfahrungen haben die Grazer Wissenschaftler bereits bei einem gemeinsamen Projekt mit Kollegen der Reha-Klinik Bad Kreuznach gemacht. Hier haben sich die Experten über Internet und Videokonferenz mit den Patienten in Deutschland ausgetauscht und Bewegungsvorstellungen trainiert.
Was sich der Biomedizintechniker für die Zukunft wünscht? „Dass sich das BCI so fehlerfrei steuern lässt wie eine Fernbedienung. Der Patient setzt sein EEG-Hauberl auf und das System läuft, auch wenn er noch nichts tut. Und sobald er einen Gedanken fasst, den er geübt hat, bewegt sich etwas.“ Wenn diese Technologie auch viele neue Wege eröffnet, ein Traum wird sich damit aber wohl nie erfüllen: Gedankenlesen – damit hat das BCI nichts zu tun.
