Hirnforschung Ich denke, also steuere ich

Durch Denken einen Roboterarm kontrollieren - im Ansatz ist das bereits möglich. Forscher entwickeln immer raffiniertere Methoden, wie man das menschliche Gehirn mit Computern verbinden kann.

Von Boris Hänssler

In dem Science-Fiction-Film "Surrogates" mit Bruce Willis verlässt niemand mehr seine Wohnung. Die Menschen legen sich auf eine Bahre, klemmen sich Sensoren an den Kopf und verdecken die Augen mit Klappen. Das Gehirn wird mit einem Roboter verbunden, der sich äußerlich kaum von Menschen unterscheidet. Über ihre Gedanken steuern die Leute ihre Roboter bei der Arbeit, beim Einkauf oder bei Verabredungen.

Der Vorteil liegt auf der Hand: Wird der Roboter von einem Auto angefahren oder überfallen, bleibt der Steuernde unversehrt. Doch eines Tages finden Terroristen eine Waffe, mit der sie über die Roboter in das Gehirn der Menschen eindringen und diese töten können.

Solche Filme werfen ein schlechtes Licht auf die Bemühungen von Forschern, das menschliche Gehirn mit Computern zu verbinden. Fragen drängen sich auf: Könnten Geheimdienste in Zukunft auch unsere Gedanken ausspähen oder Terroristen die Kontrolle übernehmen? Natürlich sind solche Szenarien noch Science-Fiction, aber völlig absurd sind sie auch nicht: Erst kürzlich etwa ließ sich Andrea Stocco, Neurowissenschaftler der Universität Washington, mit einer verdrahteten Kappe auf dem Kopf vor einem Computer filmen.

Auf dem Bildschirm lief ein Spiel, bei dem Stocco mit einem Piratenschiff auf Raketen schießen sollte. Sein Finger schwebte über der "Feuern"-Taste. Er wurde allerdings ferngesteuert: Stocco war mit einem anderen Mann über das Internet verbunden. Dieser sollte sich lediglich vorstellen, eine Taste zu drücken. Die Gedanken rasten durch die Leitung, und Stoccos Finger bewegte sich nach unten. Surrogates scheint da nicht mehr fern zu sein.

In Wirklichkeit ist die Technologie, die in Washington zum Einsatz kam, unspektakulär: Ein Gerät zeichnete Aktivitätsmuster des Gehirns auf, ein entsprechendes Signal wurde an ein zweites Gerät auf dem Kopf von Stocco weitergeleitet. Dieses erzeugte daraufhin ein starkes Magnetfeld in einem Bereich in seinem linken Motorkortex - dem Gehirnbereich, der Handbewegungen kontrolliert. Die Ladung bestimmter Nervenzellen änderte sich, und der Finger erhielt den Befehl, sich zu bewegen.

Solch primitive Signale sind für Geheimdienste uninteressant, versprechen aber Menschen mit schweren neurologischen Erkrankungen neue Hilfstechnologien. Und Computerspieler können nun davon träumen, sich künftig allein mit Gedankenkraft in einer virtuellen Welt bewegen zu können.

Die Technik, um die es geht, nennen Forscher Brain-Computer-Interface (BCI) - eine Schnittstelle zwischen Gehirn und Rechner. BCI ermöglicht die Kommunikation aus dem Gehirn heraus ohne Muskelbewegung; Zwischengeräte wie Maus, Tastatur, Joystick oder Touchscreen fallen weg. Sensoren messen Gehirnaktivitäten, diese werden von einer Software in Steuerbefehle für Computer übersetzt. So können zum Beispiel behinderte Menschen allein mit Gedankenkraft Buchstaben auswählen oder eine Armprothese steuern.

Elektroenzephalografie (EEG): Sensoren messen die Gehirnaktivität. Mit geeigneten Geräten lassen sich EEG-Informationen auf Computer übertragen.

Scott Mackler etwa, ein Neurowissenschaftler, der ein Labor in New York leitete, erhielt 1999 eine niederschmetternde Diagnose: Er litt unter der Amyotrophen Lateralsklerose (Abkürzung: ALS), einer degenerativen Erkrankung des motorischen Nervensystems, die jedes Jahr etwa ein bis zwei von 100.000 Menschen trifft. Die unheilbare Krankheit führt zu Lähmungen der Muskulatur, zu Bewegungs-, Sprech-, Atem- und Schluckstörungen.

Mackler nutzte lange Zeit einen Eyetracker für die Kommunikation - ein Gerät, das seine Augenbewegungen verfolgt. Legte man ihm eine Reihe von Buchstaben vor, musste er einen Buchstaben anstarren und die Sensoren erfassten diese Auswahl. Doch mit fortschreitender Krankheit ermüdeten ihn selbst die Augenbewegungen, seit 2008 bis zu seinem Tode im November 2013 nutzte Mackler deshalb ein BCI-System, bei dem er nicht mehr die Pupillen bewegen muss. Die Gehirnaktivitäten werden über Elektroenzephalografie (EEG) ausgelesen.

Wie ein Helikopterflug übers Fußballstadion

"Wenn Nervenzellen miteinander kommunizieren, entstehen elektrische Ladungsverschiebungen, die Sensoren auf der Kopfhaut erfassen können", sagt Andrea Kübler, Psychologin und BCI-Forscherin an der Universität Würzburg. "Allerdings sind in unserem Gehirn Milliarden von Nervenzellen aktiv, daher misst die EEG keine Aktivität einzelner Nervenzellen, sondern synchrone Aktivitäten von größeren Nervenzellenbereichen."

Reinhold Scherer, BCI-Forscher an der Technischen Universität Graz, vergleicht das Verfahren mit dem Helikopterflug übers Fußballstadion: "Vom Hubschrauber aus höre ich nicht die Unterhaltung der einzelnen Fans, aber wenn ein Tor fällt und alle aufschreien, dann weiß ich, was passiert ist."

Die Elektroenzephalografie liefert verrauschte Signale. Um etwas zuverlässig damit steuern zu können, müssen die Forscher sozusagen die Bäume im Wald finden. Dafür gibt es mehrere Möglichkeiten. Im Falle von Scott Mackler stimulierte eine Software das Gehirn und regt es zur Erzeugung bestimmter Gedanken an. "Stellen Sie sich vor, Sie sitzen vor einem Bildschirm, und ich zeige Ihnen kurz nacheinander Fotos von Katzen", sagt Andrea Kübler. "Plötzlich kommt ein Hundefoto dazwischen. Diese Abweichung ist die Stimulanz - der Inhalt des Kurzzeitgedächtnissen muss erneuert werden." Die Forscher nennen diese Reaktion des Gehirns P300: 300 Millisekunden nach der Stimulation lässt sich das von der Norm abweichende, elektrisch positive Signal per EEG messen.

Dasselbe Prinzip lässt sich für die Kommunikation nutzen. Scott Mackler trug eine blaue Kappe mit regenbogenfarbigen Drähten, angeschlossene Elektroden messen die Gehirnspannungen. Auf dem Monitor erschien eine schnelle Abfolge von Buchstaben. Sobald der gewünschte Buchstabe auftauchte, maß das System in Macklers Gehirn eine Spannungsabweichung. So konnte er Buchstabe für Buchstabe auswählen und ein Wort zusammensetzen. Mit der Technik ließen sich bis zu 15 Auswahlen pro Minute treffen. Intelligente Wortvorschläge halfen, die Wörter zu vervollständigen.