Von Von Christine Amrhein

Versuche an Tieren und Menschen lassen Wissenschaftler hoffen, dass sich in Zukunft Maschinen mit Gehirnsignalen steuern lassen. Für gelähmte Patienten würde dies mehr Handlungsfreiheit bedeuten.

Von Christine Amrhein

(SZ vom 16.10.2003) - Der Roboterarm bewegt sich zielgerichtet. Seine künstlichen Gelenke strecken sich, die zangenartige Hand vollführt eine Greifbewegung. Doch diesen Roboter steuert kein Computer und keine Software.

Es ist das Gehirn eines kleinen Rhesusaffen im Forschungslabor der Duke-Universität, dessen Neuronen die Befehle für jede Phase der Bewegung des künstlichen Arms aussenden. Das Tier tut dabei nicht den kleinsten Mucks. Es bleibt völlig regungslos.

Ein Gerät steuern allein durch die Kraft der Gedanken, Briefe schreiben ohne eine einzige Körperbewegung, mit reiner Imagination eine gelähmte Hand zum Greifen zu bringen - was vor einigen Jahren noch undenkbar schien, ist nunmehr buchstäblich in greifbare Nähe gerückt.

Dem Forscherteam von der Duke-Universität im amerikanischen Durham ist es gelungen, einen Affen so zu trainieren, dass er allein mit den elektrischen Impulsen seines Gehirns - ohne eigene Bewegung - einen Roboterarm steuert. Publiziert haben die Wissenschaftler ihre Ergebnisse in der Erstausgabe der Online-Zeitschrift PLoS Biology (DOI: 10.1371/journal.pbio.0000042).

Im Schädel des Äffchens hat die Arbeitsgruppe um Miguel Nicolelis 320 haarfeine Elektroden eingesetzt, die die Nervenimpulse einzelner Neuronen an den Roboterarm weiterleiten. Mittels mathematischer Analysen konnte aus der Vielzahl der einlaufenden Hirnsignale ihre Bedeutung für Eigenschaften des Bewegungsablaufs wie Kraft und Schnelligkeit ermittelt werden. Die selben Signale konnten anschließend für die künstliche Bewegung genutzt werden.

Auch andere Forschergruppen weltweit erproben bereits Methoden, mit denen die Impulse von Nervenzellen dazu verwendet werden, Abläufe außerhalb des Körpers zu beeinflussen. So unterschiedlich die verschiedenen Ansätze auch sind - die gemeinsame Hoffnung ist letztlich, ganz oder teilweise gelähmten Patienten wieder neuen Handlungsspielraum zu ermöglichen.

"Dann kam der unglaubliche Moment"

Während der ersten Versuche an der Duke-Universität bewegten die Affen noch mit ihrem Arm einen Joystick, während der an die Nervenzellen gekoppelte Roboterarm synchron exakt die gleichen Bewegungen ausführte. Auf einem Computerbildschirm wurde den Tieren dabei die künstliche Bewegung vorgeführt.

Als nächstes trennten die Forscher die Verbindung des Joysticks zum Computer, während die Nervenzellen im Gehirn weiterhin mit dem Roboter verbunden blieben. Der Affe versuchte zunächst wie zuvor, den Ablauf auf dem Monitor durch seine Armbewegungen zu steuern. Dabei fuchtelte er wild in der Luft herum und starrte auf den Bildschirm. Doch irgendwann, erzählt Nicolelis, kam der "unglaubliche Moment", in dem das Tier begriff, dass allein seine Gedanken ausreichten, um den Roboter Bewegungen vollführen zu lassen. Vom einem Augenblick zum anderen wurden seine Muskeln völlig ruhig.

Inzwischen haben die Versuchstiere sogar gelernt, komplizierte Bewegungsabläufe des Roboterarms allein mit ihren Gehirnsignalen zu kontrollieren. In den jüngsten Versuchen der amerikanischen Arbeitsgruppe wurden zwei Affen darauf trainiert, sowohl das Strecken als auch das Greifen des künstlichen Armes zu steuern - eine höchst komplexe Aufgabe, da die gleichen Neuronen die zeitliche Abfolge zweier unterschiedlicher Bewegungsabläufe koordinieren müssen.

"Theoretisch hat man so etwas schon lange für möglich gehalten", sagt Wolf Singer, Direktor am Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt. "Wenn Neuronen eine Armbewegung kontrollieren können, muss es ja prinzipiell auch möglich sein, mit ihnen ein externes Gerät zu steuern." Dazu müsse man prinzipiell nur die Nervensignale an den richtigen Stellen abgreifen. Die Studien von Duke-Forscher Nicolelis zeigten, so Singer, dass die praktische Umsetzung neurowissenschaftlicher Annahmen tatsächlich möglich ist.

Lernen, was im Gehirn vor sich geht

Gleichzeitig lernen die Forscher bei solchen Experimenten auch mehr darüber, was im Gehirn vor sich geht, wenn neue Bewegungsabläufe erlernt werden. Mit der großen Zahl von Elektroden, die bei den Versuchen an Affen verwendet wurden, können die Forscher auch beobachten, wie sich die Nervenzellen des Gehirns verschalten, wenn neue Bewegungen trainiert werden. Wenn man diese Abläufe genauer verstanden hat, wird man möglicherweise eines Tages auch bessere Medikamente oder Trainingsmethoden entwickeln, um Patienten mit Hirnverletzungen zu rehabilitieren, so die Hoffnung vieler Neurowissenschaftler.

Hoffnung auf "Neuroprothesen"

Nach den erfolgreichen Versuchen an Affen fehlt es nicht an Ideen, wie so genannte "Gehirn-Computer-Schnittstellen" auch beim Menschen sinnvoll eingesetzt werden könnten. Nicolelis und seine Kollegen hoffen, in Zukunft Technologien zu entwickeln, mit denen gelähmte Patienten lernen, "Neuroprothesen" ihrer Arme oder Beine zu steuern.

Eine weitere Arbeitsgruppe in den USA plant, die ersten Versuche mit Menschen bereits im nächsten Jahr zu beginnen. "Wir wollen die Patienten so mit einem Computer verbinden, dass sie mithilfe ihrer Gedanken im Internet surfen oder Videospiele spielen können", erklärt John Donoghue von der Brown-Universität in Providence, Rhode Island, der diese Technik zunächst an fünf Schwergelähmten erproben will.

Dass bei den geplanten Versuchen schon in absehbarer Zeit durchschlagende Erfolge erzielt werden können, bezweifelt Niels Birbaumer, Leiter des Instituts für Medizinische Psychologie in Tübingen, jedoch noch. "Erstens sind die technischen Probleme noch längst nicht gelöst. Man muss sehr viele und ständig wechselnde elektrische Impulse des Gehirns auffangen und übertragen. Zweitens müssen die Elektroden so implantiert sein, dass das Entzündungsrisiko möglichst gering ist."

Dennoch plant auch seine Tübinger Arbeitsgruppe, Signale, die von der Oberfläche des Gehirns abgegriffen werden, an einen Computer weiterzuleiten. Hierbei geht es jedoch nicht darum, Bewegungen zu steuern, sondern um Kommunikation. Vollständig gelähmte Patienten wie zum Beispiel an Amyotropher Lateralsklerose (ALS) Erkrankte könnten so lernen, zunächst mit "ja" oder "nein" auf Fragen zu antworten. Später könnten sie dann trainiert werden, Buchstaben auszuwählen und damit am Computer Texte zu verfassen.

Dies war zwar auch in bisherigen Versuchen schon gelungen, bei denen die Signale des Gehirns als so genanntes EEG von der Kopfhaut abgeleitet wurden. Mehrere beinahe komplett bewegungsunfähige Patienten hatten so gelernt, schrittweise einzelne Buchstaben anzusteuern und zu Wörtern und Sätzen zusammenzusetzen. Diese Methode sei von den Patienten aber nur mit relativ hohem Aufwand zu erlernen, erklärt Birbaumer. Beim direkten Zugriff auf das Gehirn könnte ein Gelähmter dagegen mit jeweils einer Gruppe von Elektroden einen bestimmten Buchstaben auswählen und wesentlich effizienter Sätze formulieren, hofft der Tübinger Neurowissenschaftler.

Elektroden an der Schädeloberfläche

Dass die Idee, Gehirnsignale für willentlich gesteuerte Handlungen zu nutzen, auch mit einfacheren Methoden schwer gelähmten Patienten zugute kommen kann, hat soeben ein weiteres deutsches Forscherteam eindrucksvoll bewiesen.

Wissenschaftler von der Orthopädischen Universitätsklinik in Heidelberg haben eine Vorrichtung entwickelt, mit der vom Hals ab querschnittsgelähmte Patienten lernen sollen, einfache Greifbewegungen zu vollführen. Die Forscher, die dabei mit der Technischen Universität Graz kooperierten, berichten von ersten Erfolgen bei einem 27-jährigen Querschnittsgelähmten (Neuroscience Letters, Bd. 351, S. 33, 2003).

Bei ihrer Methode sind keine komplizierten Eingriffe ins Gehirn nötig - es reichen Elektroden, die auf der Schädeloberfläche kleben. Die elektrischen Impulse werden an Nervenbahnen im Arm weitergeleitet, die Muskeln der Hand dazu stimulieren, zuzugreifen und sich anschließend wieder zu lösen. Der junge Patient erreichte sein Ziel zwar auf etwas bizarre Weise: Er stellte sich vor, seine Zehen nach oben zu bewegen.

Doch entscheidend für den Erfolg ist nicht, woran jemand während der EEG-Ableitung denkt, entscheidend ist, wie präzise er die notwendigen Gehirnwellen erzeugt. "Unser Patient erzielte mit seiner Strategie eine erstaunlich hohe Trefferquote", sagt Rüdiger Rupp, der die Pilotstudie in Heidelberg leitete.

Außerdem sei die Vorrichtung sehr einfach zu bedienen: Der junge Mann habe sich problemlos mit ihm unterhalten, während er die von ihm verlangte Aufgabe durchführte, so Rupp. Nun hoffen die Heidelberger Forscher, die Technik so weiterentwickeln zu können, dass die Patienten damit auch komplexe Bewegungen ausführen können.