Hirn-Computer-Schnittstelle 08.11.2013, 15:23 Uhr

Affen bewegen mit ihren Gedanken zwei virtuelle Arme

Intelligente Prothesen könnte es dank einer Hirn-Computer-Schnittstelle bald auch beidhändig geben. Forscher haben Affen ein Hirnimplantat eingesetzt, mit dessen Hilfe die Tiere zwei virtuelle Arme per Gedankenkraft kontrollieren konnten.

Mit seiner Hirnaktivität steuert ein Affe zwei virtuelle Arme. 

Mit seiner Hirnaktivität steuert ein Affe zwei virtuelle Arme. 

Foto: Duke Center for Neuroingeneering

Das Zentrum für „Neuroengineering“ der Duke University im amerikanischen North Carolina gilt als einer der Pioniere für Hirn-Maschine-Schnittstellen. Indem das Gehirn direkt mit assistierenden Maschinen verbunden wird und Signale der Nervenzellen in Steuerbefehle umgewandelt werden, können gelähmte Menschen eine neue Form von Mobilität erreichen. Mit einem Implantat im Gehirn ist es etwa möglich, per Gedankenkraft einen Roboter-Arm gezielt zu steuern. Auch Affen haben bereits gelernt, Roboter-Arme oder virtuelle Arme am Bildschirm kontrolliert zu bewegen.

Bisher waren nur Bewegungen einzelner Gliedmaßen möglich

Das große Manko bei solchen künstlichen Gliedmaßen lag bisher jedoch immer darin, dass nur die Bewegung eines einzelnen Armes möglich war. Die Forscher der Duke University um den Arzt und Neurobiologen Miguel Nicolelis und Doktorand Peter Ifft in Biomedizin sind nun der beidhändigen Bewegung mittels Mensch-Computer-Schnittstelle ein entscheidendes Stück näher gekommen. Seine erfolgreichen Tests mit Rhesus-Affen beschreibt das Forscherteam im Fachblatt „Science Translational Medicine“.

„Die beidhändige Bewegung ist in unserem Alltag äußerst wichtig. Denken Sie nur an das Öffnen einer Dose“, sagt Nicolelis. „Um gelähmten Patienten die größtmögliche Mobilität zu geben, müssen zukünftige Mensch-Maschine-Schnittstellen unbedingt mehrere Gliedmaßen einbeziehen.“

Die Wissenschaftler brachten Rhesusaffen bei, zwei virtuelle Arme durch Gedanken zu steuern. Dazu implantierten sie den beiden Tieren hauchdünne Mikroelektroden, die Signale von 347 bis 497 Nervenzellen erfassten, während diese aktiv waren. Die meisten dieser Nervenzellen lagen im motorischen Cortex, jener Hirnregion, die für die Steuerung von Bewegungen zuständig ist.

Anschließend trainierten die Forscher die Affen darauf, die Gliedmaßen zu kontrollieren. Dazu saßen die Tiere vor einem Bildschirm, auf dem die Hirndaten mit Hilfe eines Algorithmus in Bewegung zweier virtueller Arme umgesetzt wurden. Die Tiere sollten die linke und rechte virtuelle Hand auf zwei Kreise zu legen, die an wechselnden Positionen auf dem Bildschirm erschienen. Ein Rhesusaffe steuerte die Computerarme zunächst mit Hilfe von Joysticks, ein anderer beobachtete lediglich, wie sich die animierten Hände bewegten.

Affen integrierten virtuelle Arme in ihr Körperbild

Während der zweiwöchigen Trainingsphase hätten die Tiere erkannt, dass sie ihre echten Hände gar nicht brauchten und die virtuellen Arme genauso gut mit ihren Gedanken steuern konnten. Offenbar integrierten sie die künstlichen Arme im Laufe der Zeit sogar in ihr Körperbild.

Die Forscher stellten außerdem fest, dass größere Verbände von Nervenzellen für Bewegungen verantwortlich waren, bei denen beide Arme zum Einsatz kommen. Dabei beschränkte sich das Hirn nicht darauf, einfach jene Signale zu kombinieren, die getrennte Bewegungen des linken oder rechten Arms steuerten.

 „Wir stellten fest, dass wir nicht in der Lage waren vorauszusagen, was einzelne Nervenzellen oder Populationen von Neuronen bei einer beidhändigen Aufgabe tun würden, indem wir einfach die neuronalen Aktivitäten genau dieser Nervenzellen bei Bewegungen mit nur einem Arm addierten“, sagt Nicolelis. Offenbar sind beidhändige Bewegungen mehr als nur die Summe ihrer Bestandteile. Das macht es umso komplexer, Algorithmen zu entwickeln, die Signale der Nerven sicher in die richtigen Bewegungen umsetzen können.

Diese neuen vielversprechenden Forschungsergebnisse will Miguel Nicolelis auch für das ehrgeizige Projekt „Walk Again“ nutzen. Hinter diesem Projekt steht ein internationales Konsortium führender Forschungseinrichtungen unter Leitung der Duke University. Ihr Ziel ist es, den Durchbruch in den Neurowissenschaften zu schaffen und gelähmten Patienten mit einer Ganzkörperprothese zum selbstständigen Gehen zu verhelfen. Gesteuert würde die Prothese über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle. Dieses gedankenkontrollierte „Exo-Skelett“ soll schon während der Eröffnungszeremonie der FIFA Fußball-Weltmeisterschaft im Sommer 2014 in Brasilien vorgestellt werden.

Von Gudrun von Schoenebeck

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