Gedanken steuern Roboterarm

Forscher an der Brown University haben eine Hirn-Computer-Schnittstelle entwickelt, mit der Querschnittsgelähmte komplexe Bewegungen ausführen können.

US-Wissenschaftler haben eine neue Technik demonstriert, mit der gelähmte Patienten in der Lage sind, einen Roboterarm nur durch Gedankenkraft erstaunlich genau zu steuern. Wie die Forscher in einem Video demonstrieren, kann die Versuchsperson mit dem Arm eine gefüllte Flasche anheben und diese dann nahe genug an ihren Mund bringen, um aus einem Strohhalm zu trinken. Anschließend setzt sie die Flasche wieder auf dem Tisch ab.

Möglich macht das erstaunliche Experiment ein im Gehirn implantiertee Chip mit Elektroden, eine sogenannte Hirn-Computer-Schnittstelle. Diese ist in Verbindung mit dem Roboterarm und einem Steuerungsrechner in der Lage, komplexe dreidimensionale Aufgaben zu erfüllen, die Gelähmten in ihrem Alltag helfen sollen. In früheren Studien war es mit ähnlichen Verfahren zwar möglich, dass Versuchspersonen einen Cursor auf einem Computerbildschirm steuern konnten, doch komplexe dreidimensionale Bewegungen konnten sie nicht ausführen.

Das Team um den Neurowissenschaftler John Donoghue von der Brown University im US-Bundesstaat Rhode Island hatte bereits 2006 gezeigt, dass Patienten mit Rückenmarksverletzungen Gehirnschnittstellen nutzen können, um einfache Öffnen-und-Schließen-Bewegungen mit einer Roboterhand zu vollführen. Die neue Version der Technik erlaubt deutlich kompliziertere Nutzungsmöglichkeiten. "Nicht nur können Menschen einen Computer-Cursor kontrollieren, sie können auch sehr komplexe Geräte wie einen Roboterarm bedienen, der Aufgaben eines echten Armes übernehmen kann", sagt Donoghue.An der Entwicklung des neuartigen Roboterarms waren auch deutsche Wissenschaftler vom Institut für Robotik und Mechatronik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) beteiligt.

Das dafür notwendige Implantat besteht aus einem kleinen, lediglich vier mal vier Millimeter großen Schaltkreisarray. 96 haarähnliche Elektroden gehen von einer Seite ab. Das Gerät sitzt direkt auf der Oberfläche des Gehirns, die Elektroden penetrieren den Bereich des Motorcortex, der den Arm kontrolliert, ungefähr einen Millimeter tief. Das Implantat zeichnet die Impulse Dutzender Nervenzellen auf. Der Patient muss nur daran denken, seinen Arm zu bewegen, schon werden die notwendigen Signale generiert. Der angeschlossene Rechner übersetzt die elektrischen Aktivitätsmuster in Kommandos, die dann wiederum den Roboterarm kontrollieren.

"Das für mich erstaunlichste an dieser Studie ist, dass sie erstmals bei menschlichen Patienten klar darlegt, wie man diese Signale nutzen kann. Robotertechnik kann ihnen helfen, im täglichen Leben unabhängiger zu werden", erklärt Andrew Jackson, Neurowissenschaftler an der Newcastle University, der Donoghues Arbeit kennt. Die Forscher hätten enorme Fortschritte gemacht. Donoghue zufolge sind diese vor allem Verbesserungen im algorithmischen Bereich geschuldet. Man könne die Aktivitätsmuster im Gehirn mittlerweile deutlich genauer interpretieren.

Die Untersuchung ist gleichzeitig eine klinische Pilotstudie, bei der Technologien entwickelt werden sollen, mit denen die Fähigkeiten zur Kommunikation und zur Bewegung bei Querschnittsgelähmten indirekt wieder hergestellt werden. Sieben Patienten sind Teil des Projekts. Die beiden Teilnehmer des jüngsten Experiments erlitten beide einen Schlaganfall im Hirnstammbereich und können seither nicht mehr sprechen und ihre Gliedmaßen bewegen. Zum Zeitpunkt der Studie trug einer der Teilnehmer das Implantat für fünf Monate, der andere hatte es bereits mehr als fünf Jahre.

Die lange Haltbarkeit des Implantats zeigt, dass eine solche Schnittstelle nutzbare Signale viele Jahre lang registrieren kann – das wiederum sehen Experten als sehr positives Ergebnis. "Wenn man etwas in das Gehirn einbringt, gibt es stets eine Reaktion", sagt Donoghue. Nervenzellen würden geschädigt oder von den Elektroden verdrängt und das Gehirn könne Narbengewebe aufbauen. "Es scheint aber nicht so zu sein, dass diese Tatsache es unmöglich macht, die Impulse aufzuzeichnen."

Allerdings verschlechterte sich das Nutzsignal mit der Zeit. "Obwohl auch fünf Jahre später noch verwendbare Impulse aus dem Array kamen, sind diese Signale nicht immer stabil genug", sagt Jackson. Die Hirnmasse bewege sich innerhalb des Schädels und ein hartes, unflexibles Implantat könne potenziell zu Deformierungen führen. "Wenn die Signale sich tagtäglich ändern, muss dann tagtäglich eine Neukalibrierung durch den Patienten erfolgen?"

Aktuell muss das System außerdem per Drahtverbindung mit einem externen Rechnersystem in Verbindung stehen. Die Brown-Forscher arbeitet aber mit dem Implantathersteller Blackrock Microsystems zusammen, um eine drahtlose Version zu schaffen. Diese wird bereits im Tierversuch getestet.

Auch der Roboterarm ist noch nicht die endgültige Lösung. Donoghue hofft, dass das Implantat eines Tages sogar dazu verwendet werden könnte, um eine elektrische Stimulation der Muskeln des Patienten zu erzeugen. Die zerstörte Verbindung zwischen Gehirn und Gliedmaßen würde so gleichsam überbrückt. (bsc)