Drahtlose Schnittstelle vom Hirn zum Computer

Ein Implantat mit Funkmodul könnte gelähmte Menschen in die Lage versetzen, Fernseher, Computer oder Rollstühle per Gedankenkraft zu steuern.

Einige gelähmte Patienten können vielleicht bald eine drahtlose Hirn-Computer-Schnittstelle nutzen, um Steuerbefehle in Form von Gedanken so schnell zu versenden wie über einen privaten Internetanschluss.

Nach mehr als einem Jahrzehnt Entwicklungsarbeit haben Forscher von der Brown University und von Blackrock Microsystems, einem Unternehmen aus Utah, jetzt ein drahtloses Gerät fertiggestellt, das am Schädelknochen befestigt wird und dann per Funk Gedankenkommandos versendet, die von einem Hirnimplantat registriert werden. Blackrock will das Produkt nach eigenen Angaben von der US-Gesundheitsaufsicht FDA genehmigen lassen, damit die mentale Fernbedienung von Freiwilligen getestet werden kann – vielleicht noch in diesem Jahr.

Entwickelt wurde das System von einem Konsortium namens BrainGate. Es ist an der Brown University angesiedelt und gehörte zu den Ersten, die gelähmten Personen Hirnimplantate einsetzten und zeigten, dass damit elektrische Signale von Neuronen innerhalb des Kortex registriert werden können. Das Prinzip ließ sich zum Steuern von Rollstühlen oder Armprothesen nutzen.

Eine bedeutende Einschränkung bei diesen Aufsehen erregenden Experimenten war, dass die Patienten ihre Prothese nur mit Hilfe eines Teams von Laborassistenten steuern konnten. Die Hirnsignale wurden über ein Kabel gesammelt, das in einen Anschluss in ihrem Schädel geschraubt war, und dann über Drähte in ein sperriges Regal mit Signalverarbeitungsmaschinen geleitet. „So etwas zuhause anzuwenden, ist undenkbar oder zumindest unpraktikabel, wenn man an einen Haufen Elektronik gebunden ist“, sagt Arto Nurmikko, Professor für Ingenieurswesen an der Brown University, der Konstruktion und Herstellung des neuen Drahtlos-Systems geleitet hat.

Die neue Schnittstelle macht einen Großteil der Kabel verzichtbar, weil sie die Gehirndaten in einem Gerät von ungefähr der Größe eines Tankdeckels verarbeitet. Es wird am Schädel befestigt und mit Elektroden im Gehirn verbunden. In seinem Inneren arbeitet ein Prozessor, der die schwachen elektrischen Pulse von Neuronen verstärkt. Schaltkreise digitalisieren diese Informationen, und eine Funkeinheit schickt sie über einige Meter Entfernung an einen Empfänger. Dort ist die Information als Steuersignal verfügbar, um zum Beispiel einen Cursor über einen Bildschirm zu bewegen.

Die Datenübertragung aus dem Gehirn erfolgt mit 48 Megabit pro Sekunde, ungefähr so schnell wie bei einem Internetanschluss zuhause, sagt Nurmikko. Der Strombedarf beträgt etwa 300 Milliwatt – ein Bruchteil von dem, was ein Smartphone benötigt – und wird über eine Batterie gedeckt.

Prototypen für drahtlose Hirn-Computer-Schnittstellen gab es schon zuvor, und für die Tierforschung wurden schon einige einfache Funksysteme verlauft. „Aber es gibt nichts, was wie dieses Gerät so viele Eingaben verarbeitet und Megabits über Megabits an Daten ausspuckt“, sagt Cindy Shestel, Assistant Professor für Biomedizintechnik an der University of Michigan.

Das Implantat kann rechnerisch ungefähr Daten im Umfang von 200 DVDs pro Tag verschicken. Verglichen mit dem, was das Gehirn selbst bei einfachsten Bewegungen an Daten generiert, ist das jedoch nicht viel. Von den Milliarden Neuronen im menschlichen Cortex konnten Wissenschaftler bislang höchstens 200 gleichzeitig einzeln messen. „Sie und ich benutzen unsere Hirne als Petabyte-Computer“, sagt Nurmikko. „Daran gemessen wirken 100 Megabits pro Sekunden ausgesprochen bescheiden.“

Mit dem Verkauf seines „Cereplex-W“ genannten Geräts an Labore, die Primaten untersuchen, hat Blackrock bereits begonnen; pro Stück kostet es rund 15.000 Dollar. Tests mit Menschen könnten bald folgen, sagt Florian Solzbacher, Professor an der University of Utah und Eigentümer sowie President von Blackrock. Die Forscher der Brown University haben Pläne für Versuche mit gelähmten Patienten, die aber noch nicht umgesetzt wurden.

Derzeit nehmen rund ein halbes Dutzend Gelähmte, manche von ihnen in späten Stadien der Krankheit ALS, an BrainGate-Studien mit der alten Technologie in Boston und Kalifornien teil. Bei diesen Studien ist das Implantat im Hirn ein kleines Array mit nadelartigen Elektroden aus Silizium. Es wird ebenfalls von Blackrock verkauft und meist als das „Utah-Array“ bezeichnet. Um eine Verbindung zwischen Hirn und Computer herzustellen, wird das Array in das Gewebe des Motorkortex gedrückt, wo seine Spitzen dann die Feuermuster von 100 Neuronen oder mehr gleichzeitig erfassen.

Diese kleinen Impulse, so haben Forscher herausgefunden, lassen sich relativ zuverlässig zu Informationen darüber decodieren, welche Bewegung ein Tier oder eine Person machen möchte. Über das Entschlüsseln dieser Signale haben schon Hunderten von Affen sowie eine wachsende Zahl von menschlichen Freiwilligen die Möglichkeit bekommen, eine Computermaus zu bewegen oder Objekte mit einem Roboterarm anzufassen, manchmal mit überraschender Genauigkeit.

Zu einer echten Behandlungsmethode kann die BrainGate-Technologie jedoch erst dann werden, wenn sie deutlich einfacher und zuverlässiger geworden ist. Das am Kopf montierte Funkmodul ist ein Schritt in diese Richtung. Irgendwann, so sagen Wissenschaftler, wird die gesamte Elektronik in den Körper implantiert werden, ohne dass Drähte durch die Haut laufen, weil das zu Infektionen führen kann. Im vergangenen Jahr berichteten die Brown-Forscher bereits über Test mit dem Prototypen einer vollständig implantierten Schnittstelle; die Elektronik befand sich in einer Titandose, die sich unter der Kopfhaut versiegeln lässt. Dieses Gerät ist noch nicht als Produkt erhältlich.

„Wenn man es unter die Haut bekäme, könnte man alles, was man in den Videos sieht, auch zuhause machen“, sagt Shestek. Damit spielt sie auf Filme an, die zeigen, wie Patienten mit Gedankensteuerung Roboterarme bewegen. „Der Draht durch die Haut ist der gefährlichste Teil des ganzen Systems.“

(sma)