Leinfelden: Computer werden immer besser, Impulse des Gehirns zu verstehen und zu übersetzen

Leinfelden : Computer werden immer besser, Impulse des Gehirns zu verstehen und zu übersetzen

Matthew Nagle ist Amerikaner, 25 Jahre alt und querschnittsgelähmt. Neun Monate seines Lebens hat er als Cyborg verbracht, als Mischwesen aus Mensch und Maschine. Denn für diesen Zeitraum steckte ein Chip in seiner Hirnrinde, der über ein Kabelbündel durch den Schädel an einen Computer angeschlossen war.

Dank dieser Verbindung zwischen Gehirn und Rechner konnte der gelähmte Matthew wieder E-Mails schreiben, seinen Fernseher selbst bedienen und einfache Computerspiele spielen - und das allein durch die Kraft seiner Gedanken.

Der Chip namens BrainGate, der nach neun Monaten schließlich seine Arbeit einstellte, sei eine unter Medizinern höchst umstrittene Variante eines so genannten Brain Computer Interfaces (BCI) - einer Schnittstelle zwischen Rechner und Gehirn, berichtet das Magazin „bild der wissenschaft” in seiner Juni-Ausgabe.

Solche Geräte übersetzen die Signale, die das Gehirn während seiner Arbeit produziert, in Daten, die von Computern verarbeitet und umgesetzt werden können. In Zukunft, so die Vision vieler Forscher, könnten mit derartigen BCIs unter anderem Prothesen wie echte Gliedmaßen gesteuert und Kommunikationsmöglichkeiten für Behinderte geschaffen werden.

Allerdings ist dabei ein direkter Kontakt zwischen Chip und den Nervenzellen des Gehirns wie im Fall von BrainGate eher unerwünscht, vor allem wegen der hohen Infektionsgefahr. Doch er ist auch gar nicht unbedingt nötig, zeigen beispielsweise die Erfolge des Tübinger Psychologen und Neurowissenschaftlers Niels Birbaumer.

Bei seiner BCI-Variante werden den Patienten lediglich Elektroden auf den Kopf geklebt, die Veränderungen der Hirnströme registrieren und an einen Computer weitergeben. Bereits vor acht Jahren lernten auf diese Weise 32 Patienten mit Amyotropher Lateralsklerose - der Muskelschwäche, unter der auch der Physiker Stephen Hawking leidet -, einen Computercursor zu steuern und damit zu schreiben, ohne einen einzigen Muskel zu bewegen.

Bei einer neueren Technik aus Birbaumers Labor sitzt ein so genannter Magnetenzephalograph wie eine Trockenhaube über dem Kopf des Probanden und fängt mit 275 Sensoren die schwachen magnetischen Signale auf, die die Arbeit des Gehirns begleiten. Der angeschlossene Computer kann aus diesen Mustern gezielt einzelne Befehle wie etwa „Hand bewegen” herausfiltern und sie beispielsweise in die Bewegung einer Roboterhand umsetzen.

Die Voraussetzung für alle diese Systeme: Der Patient muss bewusst und gezielt eine deutliche Veränderung seiner Hirnsignale herbeiführen. Das können Aktivitäten einzelner Nervenzellen sein wie bei Matthew Nagle, langsame Veränderungen der Hirnströme wie bei Birbaumers ALS-Patienten oder Schwankungen des so genannten sensorimotorischen Rhythmus, kurz SMR.

Diese Variante nutzt auch der 30-jährige Österreicher Tom, der seit 1998 querschnittsgelähmt ist: Im Labor von Gert Pfurtscheller an der Universität Graz hat er gelernt, mit seinen Gedanken eine speziell entworfene Armprothese so zu steuern, dass diese seine eigenen Armmuskeln stimuliert.

Allerdings denkt Tom dazu nicht „Arm bewegen”, denn dieses Signal war nach den Jahren der Bewegungsunfähigkeit bei dem Geografiestudenten nicht mehr messbar. Vielmehr stellt der Österreicher sich vor, er würde beide Beine mit Schwung nach vorne bewegen. In diesem Moment verschwindet ein ganz bestimmtes SMR-Signal aus seinem Gehirnmuster - und diese Veränderung setzt sein BCI dann in die Bewegung der Prothese um. „Wir sind froh, dass wir dieses Signal bei Tom entdeckt haben. Es hat genau 17 Hertz, und wir haben es ´Tom Swing´ getauft”, berichtet Pfurtscheller in „bild der wissenschaft”.

Eines haben alle bisher entwickelten BCIs gemeinsam: Sie sind langsam - Birbaumers ALS-Probanden schafften eine Schreibgeschwindigkeit von einem Buchstaben pro Minute - und das Erlernen ihrer Bedienung ist extrem mühsam und langwierig. Doch das soll sich in Zukunft ändern. „Wir sind dabei, etwas Neues zu entwickeln. Wir bauen Elektroden, die ohne das klebrige Gel auskommen, das man bisher auf die Kopfhaut auftragen muss, und bei denen man viel weniger Zeit zum Einmessen braucht. Diese Kappe setzt man künftig einfach auf, trainiert ein bisschen - und es funktioniert”, schildert Klaus-Robert Müller vom Berliner Fraunhofer-Institut für Rechnerarchitektur und Softwaretechnik (FIRST) seine Vision.

Kernstück dieser BCIs der Zukunft ist eine neue Software, die mit lernfähigen Algorithmen arbeitet. Sie können Muster in riesigen Datenströmen erkennen, daraus Vorhersagen ableiten und damit vielleicht einmal ganz neue Gedankensteuerungen möglich machen. „Ich sehe nicht ein, warum der Mensch monatelang trainieren soll, um die Maschine zu bedienen. Die Maschine soll lernen, dem Menschen behilflich zu sein”, betont Müller.