Jagd auf die Gedanken
Geräte messen schon heute unsere mentalen Zustände. Die Hersteller versprechen, dass wir mit ihrer Hilfe konzentrierter und entspannter werden. Künftig wollen Forscher noch viel tiefer in unsere Gehirne eindringen.
- Veronika Szentpetery-Kessler
- Christian Wolf
Geht es nach Facebook, können wir künftig 100 Wörter pro Minute per Gedankenkraft tippen. Wir würden dafür weder Implantate noch Kabel benötigen. Das wäre fünfmal schneller als eine manuelle Eingabe und auch Spracherkennung. Als Regina Dugan, Leiterin von Facebooks Hardware-Entwicklungsabteilung "Building 8", im April von entsprechenden Forschungen berichtete, war das Medienecho groß. Lange schon geistert der Traum durch die Labore der Hirnforscher und die Fantasie der Menschen. Nun also steckt eine der großen Digitalfirmen Geld und mit 60 Entwicklern auch einiges an Manpower in seine Verwirklichung. Viele sehen darin den besten Beweis für konkrete Fortschritte – zumal in den vergangenen Jahren Geräte auf den Markt gekommen sind, die ein erster Schritt in diese Richtung zu sein scheinen.
Hirnzellen kommunizieren über elektrische Ströme – und die lassen sich durch die Schädeldecke messen. Das Headset MindWave von der amerikanischen Technologiefirma NeuroSky beispielsweise analysiert sie und will dem Nutzer helfen, die Hirnwellen zu beeinflussen. Das Gerät besteht aus einem Kopfbügel, einer Elektrode in Form eines Ohrclips und einer weiteren Elektrode auf der Stirn. MindWave erstellt aus den Hirnströmen ein Elektroenzephalogramm (EEG) und überträgt die Daten per Bluetooth zur Auswertung auf ein Tablet. Per App bekommt der Nutzer eine grafische Rückmeldung über seine Hirnströme in Form von Buttons, die den Grad der Aufmerksamkeit und das Meditationslevel anzeigen. Das Ziel dieses sogenannten Neurofeedbacks ist, entweder aufmerksamer zu werden oder sich zu entspannen.
Auch andere Anbieter haben diesen Markt entdeckt. Die amerikanische Bioinformatikfirma Emotiv preist ihr Gerät Epoc etwa zum Stimulieren und "Tunen" der Hirnaktivität an, während das EEG-Headset Muse des kanadischen Unternehmens Interaxon verspricht, die mentale Fitness zu steigern und Stress zu reduzieren. "Die Verkäufe für das MindWave liegen in Deutschland bei 5000 bis 7000 Stück pro Jahr, weltweit bei schätzungsweise 45000. Muse erreicht ungefähr die Hälfte davon", sagt Hans-Georg Bieschke, Geschäftsführer von Titan Commerce, dem deutschen Vertriebspartner der beiden Firmen.
Die Verfahren haben tatsächlich eine wissenschaftliche Basis. Hirnströme können grundlegende mentale Zustände verraten. Thetawellen gehen mit tiefer Entspannung und Tagträumen einher. Die schnelleren Betawellen hingegen zeugen von Aufmerksamkeit und Wachheit. Der Nutzer probiert verschiedene Strategien zur Entspannung oder Aufmerksamkeitssteigerung aus und bekommt Rückmeldung, ob die jeweilige Taktik aufgeht.
Am besten untersucht ist das Training bei Menschen mit ADHS. Dabei versuchen die Betroffenen mehrere Wochen hindurch beispielsweise, die "konzentrierten" Betawellen zu steigern und die "verträumten" Thetawellen zu reduzieren. In einigen Studien verbesserten solche und andere Programme die Aufmerksamkeit. "Unterm Strich würde ich sagen, dass Neurofeedback bei ADHS eine spezifische und wirksame Therapie ist", sagt Ute Strehl, Psychologin am Uniklinikum Tübingen. Gesunde Probanden schnitten nach einem Neurofeedback-Training bei Aufmerksamkeitstests ebenfalls zum Teil besser ab. "Die entsprechenden Geräte können verschiedene Hirnwellen messen und rückmelden", ist auch Thilo Hinterberger überzeugt, Physiker und Neurowissenschaftler am Universitätsklinikum Regensburg. Anhand bestimmter Algorithmen ließen sich sogar mit einiger Vorsicht Aussagen über Wachheit oder Entspannungszustände machen.
Doch es ist eine Sache, Neurofeedback im Labor anzuwenden, wo Dutzende Elektroden an genau definierten Stellen auf der Kopfhaut angebracht werden. Etwas anderes ist es, auf dem heimischen Sofa mit der Technik zu experimentieren. Je einfacher die Geräte es dem Nutzer machen wollen, umso skeptischer sollte er die Resultate betrachten. "Geräte mit nur einer Elektrode hinter dem Ohr und einer auf der Stirn sind nicht sonderlich brauchbar", sagt Hinterberger. Zwar könne man auch mit einer derart reduzierten Ausstattung Hirnwellen messen und grafisch oder akustisch anzeigen. Doch die Messungen seien anfällig für Störeinflüsse. Zum Beispiel messe man an der Stirn nicht nur Hirnwellen. Vielmehr könnten Muskelspannungen der Gesichtsmuskulatur, ausgelöst durch das Runzeln der Stirn, das EEG-Signal dominieren.
Bei MindWave sollen die Muskelbewegungen laut Hersteller korrigiert werden. "Aber viele kommerzielle EEG-Feedbackgeräte leisten das nicht", sagt Hinterberger. Geräte wie Epoc setzen indes mehr als ein Dutzend Elektroden ein, um an gezielten Punkten über die Großhirnrinde verteilt Signale abzunehmen. "Solche Geräte sind im Vorteil", sagt Hinterberger. "Allerdings besteht hier die Herausforderung darin, die Elektroden an den richtigen Stellen anzubringen." Ob das bei den Heimanwendungen geschehe, sei fraglich.
Es gibt darüber hinaus noch weitere Haken. So können die gemessenen Hirnwellen vieldeutig sein. Thetawellen können nicht nur bei Schläfrigkeit auftreten. Sie tauchen auch an der Schädeloberfläche über dem für das Gedächtnis wichtigen Hippocampus auf, wenn die Denkzentrale neue Informationen speichert. Außerdem kennen die Forscher bislang keine eindeutigen Entsprechungen für meditative Phasen. Von einem EEG-Signal auf einen einzelnen mentalen Zustand zu schließen, ist demnach gar nicht so einfach.
Indirekte Wirkungen
Laut Psychologin Strehl steht zudem nicht fest, worauf etwaige Trainingseffekte letztlich zurückgehen. In der Tat sind indirekte Wirkungen denkbar. Schließlich ist das Training häufig mit einer bestimmten Aufgabe oder einem Computerspiel verbunden, was schon allein den Teilnehmer positiv beeinflussen könnte. Dieses Problem hat auch eine Ende 2016 veröffentlichte Untersuchung mit dem Neurofeedback-Headset Muse, die der Hersteller Interaxon mitfinanzierte.
Forscher um den Psychologen Norman Farb von der University of Toronto ließen 13 Teilnehmer sechs Wochen lang täglich eine meditative Form der Aufmerksamkeit zu Hause trainieren. Muse analysierte ihre Hirnströme. Durch unterschiedlich starke Windgeräusche erfuhren die Probanden, ob sie gerade zerstreut oder aufmerksam waren. Eine Kontrollgruppe absolvierte in der gleichen Zeit ein Online-Mathetraining. Zwar schnitt die Neurofeedback-Gruppe nach dem Training in einem Test zur Kontrolle der Aufmerksamkeit besser ab. Aber war der Effekt wirklich nur dem Neurofeedback durch Muse geschuldet? Oder hätten die Übungen die Konzentrationsfähigkeit auch ohne elektronische Hilfsmittel verbessert? Zusätzlich konnten die Forscher einen Placeboeffekt nicht ausschließen. Denn allein schon die Erwartung, dass die Aufmerksamkeit sich durch das mentale Training verbessert, könnte die Leistung beflügeln.
Hinterbergers Fazit lautet: "Man sollte skeptisch sein, wenn mentale Konstrukte wie Aufmerksamkeit mit irgendwelchen neuronalen Messergebnissen gleichgesetzt werden." Für ein seriöses Neurofeedback-Training brauche es in der Regel gut geschultes Personal.
Damit stellt sich die Frage: Was bedeuten derartige Ergebnisse für das Ziel, mit technischen Hilfsmitteln noch tiefgreifender in die Gedankenwelt der Menschen vorzudringen? Wozu führt es, wenn Forscher beginnen, nicht nur mentale Zustände aus den Nervensignalen zu lesen, sondern auch konkrete Gedanken? Lassen sich die Hirnströme nutzen, um nur mit der Kraft des Gehirns zu schreiben, wie es Facebook vorschwebt? Oder gar Autos zu steuern?
Im Labor jedenfalls gelingen Forschern bereits erstaunliche Dinge: Vor drei Jahren schafften es zum Beispiel Forscher von der TU München und der TU Berlin im Rahmen des EU-Forschungsprojekts Brainflight, EEG-Signale zur horizontalen Steuerung eines Kleinflugzeugs im Flugsimulator zu nutzen. Die Versuchspersonen hielten allein durch gedachte Kommandos den Kurs und landeten die Maschine sogar unter schlechten Sichtbedingungen. Der Autopilot übernahm die vertikale Steuerung. "Die Idee ist, dass EEG-Signale schnell sind und sich deshalb für die Steuerung von Geräten anbieten", kommentiert John-Dylan Haynes vom Bernstein Center der Charité in Berlin.
Eine andere Möglichkeit, das Gehirn zu belauschen, ist die funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRI). Die Methode misst die Hirnaktivität anhand des Sauerstoffverbrauchs. Sie liefert eine bessere örtliche Auflösung als das EEG, die Hirnaktivität lässt sich detaillierter analysieren. Mit ihr haben die Forscher Marcel Just und Tom Mitchell von der Carnegie Mellon University in Pittsburgh 2008 gedachte Wörter aus dem Kopf von Probanden ausgelesen. Mit einer Trefferquote von 75 Prozent konnten sie ermitteln, an welche Substantive aus einer vorgegebenen Gruppe von 60 die Testpersonen dachten.
Auch welche Bilder und sogar Filmtrailer Versuchspersonen zuvor angeschaut hatten, ließ sich aus fMRI-Daten im visuellen Kortex bereits erkennen. Beim Trailer-Experiment unterteilte das Team um Jack Gallant von der University of California in Berkeley die Gehirnaufnahmen in kleine, dreidimensionale Würfel (Voxel). Ein Algorithmus verglich anschließend sekundenweise die fMRI-Daten der Voxel und den Trailer und lernte, welche Gehirnaktivitäten welche Formen, Farben und Bewegungen repräsentieren.
Doch der Unterschied zwischen Labor und Alltag ist immens – und in diesen Fällen wohl noch um ein Vielfaches größer als beim Neurofeedback. Piloten werden noch lange nicht mit bloßer Gedankenkraft fliegen können. Dafür müssen noch diverse Hürden ausgeräumt werden, betonte schon damals Projektleiter Tim Fricke, der inzwischen in die Industrie gewechselt ist. Die Steuerung müsse zuverlässiger werden und die Kosten müssten sinken. Darüber hinaus sei die Kappe unbequem, das Leitgel im Haar störend und das lange Training frustrierend. Obendrein würden die Signale leicht durch Bewegungen des Gesichts verfälscht. Solche Artefakte ließen sich bei sorgfältigem Design der Auswerte-Algorithmen zwar minimieren. Aber ob – und vor allem: wie zuverlässig – das auch in der hektischen Realität eines Cockpits gelingt, weiß niemand.
Ein fMRI wiederum gibt zwar ein örtlich detaillierteres Bild der Hirnaktivität, bildet sie aber langsam ab. Schnelle Korrekturen in Notsituationen wären vermutlich unmöglich, selbst wenn es kleine und mobile fMRI-Geräte gäbe. Aktuell müssen die Probanden komplett ruhig liegen. Die Geräte haben einen Durchmesser von mehreren Metern und hätten in keinem Cockpit Platz – geschweige denn im Wohnzimmer.
Neue Technologien ins Gehirn
Nun könnten neue Technologien diese Hindernisse durchaus beseitigen. Doch der Traum vom Gedankenlesen wirft noch eine viel grundlegendere Frage auf: Gibt es überhaupt eine universelle Sprache des Gehirns? Sind die Signale für Worte und Bilder von einem Menschen zum anderen übertragbar? Für ein EEG scheint das nicht uneingeschränkt zu gelten. "Wenn Sie und ich an das Wort Katze denken, sind die Signale teilweise ähnlich, allerdings auch verschieden", sagt Neuroforscher Haynes. "Wenn Sie also mein Gedankenmuster für Katze präzise erkennen wollen, wäre es am besten, wenn Sie das System mit meiner Gehirnaktivität kalibrieren." Anders sieht es mit der fMRI aus. Tatsächlich konnten die Carnegie-Mellon-Forscher die Wortsignale auch bei Testpersonen identifizieren, auf die das System nicht kalibriert worden war.
Wissenschaftlern vom California Institute of Technology in Pasadena gelang kürzlich sogar noch ein Schritt mehr. Sie konnten aus Gehirnsignalen von Makaken rekonstruieren, welche Menschen die Tiere zuvor neu auf Fotos gesehen hatten. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie im Mai im renommierten Fachjournal "Cell". Allerdings war es dafür notwendig, das fMRI mit implantierten Elektroden zu kombinieren. Per fMRI grenzten die Wissenschaftler zunächst die für die Gesichtserkennung verantwortlichen Gehirnbereiche ein. Mit feinen Elektroden identifizierten sie anschließend 200 einzelne Zellen, die jeweils auf ein Gesichtsbereich-Charakteristikum wie den Augenabstand spezialisiert sind. Die Gesichter, die sie aus den Zellsignalen mithilfe von Maschinenlernen wieder zusammensetzten, ähnelten den Fotovorlagen frappierend.
Mit dieser direkten Verkabelung des Gehirns sind aber noch ganz andere Dinge möglich. Viele Forscher haben mittlerweile gezeigt, dass sich so Roboterarme steuern oder Wörter schreiben lassen. Im Rahmen einer klinischen Studie des BrainGate-Programms an der Stanford University pflanzten Forscher etwa einer gelähmten Patientin einen Sensor mit 100 Elektroden ein. Er ermöglicht ihr, sich wieder verständlich zu machen. Die Frau leidet an der neurodegenerativen Krankheit Amyotrophe Lateralsklerose (ALS), die ihre Muskeln nach und nach gelähmt hat. Nun leitet der Sensor im motorischen Kortex ihres Gehirns die elektrische Aktivität einzelner Nervenzellen an einen Computer weiter. Um Wörter zu formen, stellt sich die Frau vor, dass sie ihre rechte Hand zu einem bestimmten Buchstaben des gitterförmig angeordneten Alphabets bewegt. Von Gedankenkraft gesteuert, setzt sich der Cursor in Bewegung. Buchstabe um Buchstabe erscheint auf dem Bildschirm.
Stanford-Bioingenieur Krishna Shenoy zufolge schaffen die Probanden mithilfe der Gehirn-Computer-Schnittstelle – auch Brain Computer Interface (BCI) – bis zu 40 Buchstaben pro Minute. Das entspricht sechs bis acht Wörtern. Für Ge-sunde mag das zwar langsam klingen, aber für die bisherigen drei Probanden der Pilotstudie kommt es ziemlich nah an die Geschwindigkeit heran, die sie sich selbst wünschen. Tatsäch-lich ist es das schnellste Tippergebnis, das bislang mit einer BCI erreicht wurde, urteilt Biomedizin-Ingenieurin Jennifer Collinger von der University of Pittsburgh, die nicht an der Studie beteiligt war.
Die dafür notwendige Operation ist allerdings ein immenses Hindernis. In größerem Umfang dürfte sich die Methode daher erst dann nutzen lassen, wenn es auf nichtinvasivem Weg möglich wird, die maßgeblichen Hirnbereiche auszuhorchen. Absehbar ist eine solche Technik derzeit allerdings noch nicht. Allein per EEG, das Signale außen am Kopf aufnimmt, lassen sich viele Anwendungen heute noch nicht steuern, betont Haynes. Selbst Wörter aus den Signalen herauszulesen "ist nicht ohne großen Aufwand möglich", sagt der Neurowissenschaftler. Ohnehin gebe es dafür schnellere Möglichkeiten wie Blickverfolgung oder das Anspannen eines Muskels.
"Die meisten Gelähmten haben noch eine Restkontrolle über bestimmte Muskeln. Stephen Hawking kommuniziert zum Beispiel mit einem Wangenmuskel", sagt Haynes. "Für ihn wäre eine EEG-Schnittstelle gar nicht so nützlich." Selbst Facebook-Forscherin Regina Dugan weiß, dass ihre Ideen noch Zukunftsmusik sind. Die benötigte Technologie, um Worte aus dem Sprachzentrum mithilfe von Lichtpartikeln und Maschinenlernen auslesen zu können, müsse erst noch entwickelt werden, sagt sie. Selbst wenn es sie irgendwann gäbe, könnte man nicht unbedingt gleich ganze Gedankengänge abgreifen. Haynes hält es sogar für unmöglich, dieses Ziel zu erreichen. Denn Gedan-ken seien weiträumig über das Gehirn verteilt, und mit implantierten Elektroden "erreicht man nur einzelne Zellen oder Zellgruppen".
Trotzdem versuchen sich einige Forscher daran. Sie träumen von Schwärmen winziger Elektroden, die das Gehirn direkt auf der Oberfläche belauschen könnten. Dazu gehören die Entwickler von Elon Musks Firma Neuralink. Der Gründer von Tesla und SpaceX taufte die Sensoren bereits "Neuro-Staub".
Einen ersten Achtungserfolg auf dem Weg dahin haben inzwischen Jose Carmena und Michel Maharbiz von der University of California in Berkeley erzielt. In einer von der Darpa, dem Forschungsarm des US-Militärs, finanzierten Studie, pflanzten sie Laborraten nur ein Millimeter große Sensoren ein und verankerten sie an Muskeln sowie peripheren Nerven im Körper. Wie sie 2016 im Fachjournal "Neuron" schrieben, brauchen die Sensoren weder Kabel noch Batterien. Sowohl die Stromversorgung als auch das Auslesen der Messdaten erfolgt per Ultraschall.
Ein solches System könnte Patienten die Kontrolle über ihre Blase wiedergeben. Die Forscher wollen die Sensoren noch weiter auf 50 Mikrometer verkleinern. Erst dann wären sie klein genug für einen Einsatz im menschlichen Gehirn, zum Beispiel um eine Prothese zu steuern. Völlig offen ist jedoch, wie sie an die richtigen Stellen im Gehirn kommen sollen – und wie sich verhindern ließe, dass sie verrutschen oder das Gehirn verletzen. "Noch sind wir nicht ganz da", gibt Carmena zu. "Aber wenn die klinische Machbarkeit erreicht ist, wird der Neuro-Staub die Elektroden mit Kabeln ersetzen. Dann heißt es, sobald man den Schädel zumacht – ein für alle mal fertig." (bsc)
