Hirnforschung Technik, die das Leben verändert

Andrea Kübler arbeitet in Würzburg mit der Malerin Heide Pfützner zusammen, die dieselbe Technik nutzt, um digitale Werkzeuge in einer Bildbearbeitungssoftware auszuwählen - Symbole, Farben, Zeichen. Diese kann sie kombinieren und so Bilder gestalten. Pfützner ist ebenfalls an ALS erkrankt. "Das Programm ist ziemlich leicht zu erlernen", erklärt sie per E-Mail. "Schwierigkeiten ergeben sich, wenn ich zwischendurch anfange, etwas zu überlegen. Die Konzentration lässt für einen Moment nach, und so verpasse ich den Anschluss." Sie malt zwei- bis viermal pro Woche jeweils zweieinhalb bis vier Stunden. Für ein Bild braucht sie sechs bis 80 Stunden, je nach Thema oder Komplexität.

Die Technik habe ihr Leben verändert, sagt sie. "Ich kann wieder malen und farblich kreativ sein. Das kostet Zeit, in der ich nur am Bildschirm sitze. Man muss sich entscheiden, ob dies ein Opfer ist. Für mich ist es ein Gewinn." Marktreif ist das System allerdings noch nicht. "Ein Experte muss es etwa eine halbe Stunde bis eine Stunde mit Testmessungen an das Gehirn anpassen", sagt Kübler.

EEG hat den großen Vorteil, dass kein operativer Eingriff nötig ist. Der Preis ist das schwache, störungsanfällige Signal. "EEG-Versuche finden meist im Labor statt - im Alltag gibt es viele negative Einflüsse, sei es ein elektrisches Gerät, das die Spannungsmessungen verfälscht, oder einfach ein Hund, der auf ein Kabel tritt", sagt Reinhold Scherer. Außerdem benötigen die Patienten Gel auf der Kopfhaut wie beim Ultraschall. Einige Firmen verkaufen Trocken-EEG-Kappen, die ohne Gel funktionieren, doch Andrea Kübler sagt, solche Trockensysteme führen bei längerer Nutzung zu Kopfschmerzen, da sie auf die Haut drücken.

Mit dem schwachen EEG-Signal ist es außerdem schwierig, Neuroprothesen - etwa einen Roboterarm - zu steuern. Dafür brauchen die Forscher präzisere Signale fürs Heben, Senken oder Greifen. Sie müssen näher an das Gehirn. Bei der sogenannten Elektrokortikografie etwa werden die Elektroden direkt auf das Gehirn gelegt. Doch inzwischen neigen Wissenschaftler dazu, noch tiefer in das Gehirn einzudringen.

Deshalb konnte die 53-jährige Jan Scheuermann Ende vergangenen Jahres über ein BCI-Implantat einen Roboterarm steuern. Das Projekt wurde an der Universität Pittsburgh durchgeführt. Scheuermann leidet unter Tetraplegie, einer Querschnittlähmung, bei der man weder Beinen noch Arme bewegen kann. Bei Frau Scheuermann wurden zwei 4x4 Millimeter große Elektrodenarrays direkt im linken motorischen Kortex angebracht. Chirurgen mussten dafür die Schädeldecke öffnen. Die Datenübertragung der Gehirnaktivitäten erfolgte über ein Kabel.

"Drahtlos wäre besser, doch bislang gibt es keine befriedigende Lösungen", sagt der Grazer Forscher Scherer. "Durch den offenen Zugang zum Gehirn gibt es bei solchen Implantaten zudem ein hohes Infektionsrisiko." Studien sind daher in der Regel nur mit Menschen erlaubt, die bereits aus klinischen Gründen Implantate eingesetzt bekommen haben - etwa Epilepsie-Patienten. Scheuermann und die Forscher erwirkten eine Ausnahmegenehmigung.

Die Methode ist vielversprechend. Die Frau trainierte mit einem virtuellen Roboterarm 13 Wochen lang täglich vier Stunden. Zuvor musste stets ein Techniker das System 30 Minuten lang justieren. Am Ende war die Frau dazu in der Lage, den echten Roboterarm zu bewegen, sich ein Stück Schokolade zu greifen und es sich in den Mund zu stecken. Sie scherzte: "Eine kleine Knabberei für mich, ein großer Biss für die BCI-Forschung." Die gesamte Prozedur ist allerdings aufwendig und teuer. "Im Moment könnten sich das nur reiche Menschen leisten", sagt Scherer.

Invasive oder nicht invasive Methoden?

In der BCI-Forschung ist umstritten, ob sich die Forschung auf invasive oder nicht invasive Methoden konzentrieren sollte. In Europa gibt es eine Tendenz zu nicht invasiven Anwendungen, während in den USA invasive bevorzugt werden. Fortschritte wird es bei beiden Methoden geben. "Man muss bedenken, dass wir noch in den Kinderschuhen stecken", sagt Scherer. "EEG etwa wird sicher noch genauer und störungsfreier funktionieren." Bei Implantaten sollen bessere Sensoren die Trainingszeit zu verkürzen.

Grundsätzlich würde sich sogar die Entertainment-Industrie für die Technik interessieren. Ein Computerspieler könnte damit in einer virtuellen Spielumgebung ein Schwert aufheben, nur indem er daran denkt. "Der Industrie ist die Technik allerdings noch viel zu langsam und zu teuer", sagt Scherer.

EEG und Implantate sind nicht die einzige Möglichkeit, Gehirnsignale abzulesen. Die Magnetresonanztomografie (MRT) und die Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) werden ebenfalls erforscht. Beide Verfahren messen statt Spannungen die Sauerstoffaktivitäten - das MRT mittels Magnetfeld, das NIRS mittels Infrarotlicht. Der verbrauchte Sauerstoff ist ein Indikator für Gehirnaktivität. Das MRT liefert die besseren räumlichen Informationen, benötigt aber eine riesige Röhre, in die sich Patienten legen müssen. Es scheidet daher als Assistenzsystem im Alltag aus. NIRS wäre eine mobile Technik, aber sie benötigt derzeit fünf bis sechs Sekunden, bis sie eine Gehirnaktivität zuordnen kann, im Gegensatz zu den 300 Millisekunden beim EEG.

In Zukunft hoffen die Forscher, gleichzeitig Signale auslesen und Informationen an das Gehirn senden zu können. So wäre es möglich, dass der Nutzer einer Armprothese eine haptische Rückmeldung erhält. Würde er mit dem künstlichen Arm gegen eine Tür stoßen, könnte er im Gehirn einen Widerstand spüren. Forscher um Jörn Rickert vom Exzellenzcluster BrainLinks der Universität Freiburg entwickeln derzeit ein Implantat, das 32 Elektroden im Gehirn bereitstellt. Damit können die Forscher 32 Informationskanäle wahlweise für die Messung der Gehirnaktivitäten nutzen oder für die Stimulanz des Gehirns.

Rickerts Start-up-Firma CorTec arbeitet zudem an einer Lösung für das Kabelproblem: Die Daten sollen in dem Projekt per Infrarot durch die Kopfhaut geschickt werden, die Stromversorgung der Implantate erfolgt über elektromagnetische Koppelung - dabei wird das Implantat durch die Haut mit einer Betriebsspannung versorgt. Mit der Abschaffung der Kabel wäre die Infektionsgefahr beim BCI deutlich reduziert.

Mit Gedankenlesen haben all diese Technologien wenig zu tun. "Komplexe Gedankengänge zeigen sich zwar auch durch unterschiedliche Entladungen im Gehirn", sagt Andrea Kübler. "Aber um den Gedanken ,ich freue mich' von ,ich sitze auf dem Balkon' unterscheiden zu können, müssten wir womöglich jede einzelne Nervenzelle und ihre Interaktionen messen." Könnten Forscher eines Tages ein Gehirn vollständig simulieren, wäre dies vielleicht möglich - doch auf absehbare Zeit müssen Menschen sich um den Datenschutz im eigenen Gehirn keine Sorgen machen.