Tennisspielen im Wachkoma

Grafikerin:Meike Ufer
Autor: Nora Schultz

Wachkomapatienten erscheinen teilnahmslos, doch manche können hinter der leeren Fassade in Gedanken Tennis spielen, spazieren gehen und Logikaufgaben lösen. Mithilfe von fMRT und EEG könnten diese Patienten künftig auch wieder kommunizieren.

Wissenschaftliche Betreuung: Niels Birbaumer

Veröffentlicht: 27.08.2013

Das Wichtigste in Kürze
  • Wachkomapatienten gelten als bewusstlos, doch nicht bei allen stimmt die Diagnose.
  • fMRT-Scans haben gezeigt, dass manche Patienten auf Zuruf mit Gehirnaktivitäten reagieren, die sich von denen Gesunder nicht unterscheiden lassen.
  • Die Bilder zeigen die Gehirne der Wachkomapatienten beim virtuellen Tennisspiel, einem Gedankenspaziergang durch ihr Haus oder beim Lösen von Logikaufgaben.
  • Indem Wachkomapatienten sich auf bestimmte Gedankenfiguren konzentrieren, können sie über den Scanner auf Ja/Nein-Fragen antworten.
  • Mithilfe von kostengünstiger und portabler EEG-Technologie könnte solche Kommunikation künftig auch außerhalb von Forschungszentren am Krankenbett der Patienten möglich werden.
Wachkoma oder Locked-in?

In den 1990er-Jahren begannen Tübinger Psychologen, Kommunikationsgeräte für schwerstgelähmte Menschen zu entwickeln, die sich im sogenannten Locked-in-Zustand befinden. Dieser Zustand droht beispielsweise Patienten, die unter Amyotropher Lateralsklerose (ALS) leiden, einer Krankheit, bei der die motorischen Nerven degenerieren. Er kann aber auch viele andere Ursachen haben.

Im Locked-in-Zustand sind alle Muskeln einschließlich der Augen- und Atemmuskulatur gelähmt, aber die Personen sind kognitiv intakt. Sie können hören und verstehen, wenn man mit ihnen spricht, allerdings nicht antworten. Die Tübinger Forscher um Niels Birbaumer verwenden EEG-Signale, die die Patienten bewusst zu steuern lernen. Sie werden von ihrem Kopf abgeleitet und ermöglichen ihnen beispielsweise das Schreiben auf einem Computer.

Da es viele äußere Ähnlichkeiten zwischen Wachkoma- und Locked-in-Patienten gibt, entstand der Verdacht, viele als komatös diagnostizierte Patienten könnten einer Fehldiagnose unterliegen und in Wirklichkeit nur oder vorwiegend motorisch behindert sein. Ein Test des Medizinpsychologen Boris Kotchoubey an 100 Wachkoma-Patienten im Jahr 2003 brachte in jedem vierten Fall EEG-Signale für komplexe Hirnprozesse zutage. In diesem Video berichtet er darüber.

Die Unterscheidung zwischen Wachkoma und Locked-in ist deshalb besonders wichtig und schwierig, weil laut aktuellen Erkenntnissen Wachkoma ins Locked-in-Syndrom übergehen kann. Das heißt: Das Locked-in-Syndrom kann ein Stadium während der Genesung wachkomatöser Patienten sein. (JR)

Was gilt als Wachkoma?

Als Wachkoma wird klassischerweise ein Zustand bezeichnet, bei dem es zum funktionellen Ausfall des gesamten Großhirns oder größerer Teile davon kommt, während Funktionen von Zwischenhirn, Hirnstamm und Rückenmark erhalten bleiben. Dadurch durchlaufen die Betroffenen zwar Schlaf- und Wachphasen und können viele Lebensfunktionen wie Atmung und Verdauung aufrechterhalten, reagieren jedoch nicht auf ihre Umwelt und gelten als bewusstlos. In der Fachsprache wird dieser Zustand auch als Apallisches Syndrom bezeichnet.

Tatsächlich gibt es jedoch nicht „das eine“ Wachkoma, sondern verschiedene Stufen der Bewusstseinsstörung. Diese werden mit der so genannten „Glasgow Coma Scale“ gemessen, die prüft, auf welche Umweltreize eine Person reagiert.

Im englischsprachigen Raum unterscheidet man zwischen Wachkomapatienten im „vegetativen Zustand“ (vegetative state), die lediglich zu unbewussten Reflexen fähig sind, und Patienten im „minimalen Bewusstseinszustand“ (minimally conscious state), die gelegentlich zielgerichtet auf Reize wie Töne, Berührungen oder die Gegenwart von Angehörigen reagieren. Allerdings sind die Übergänge auch zwischen diesen Kategorien fließend.

Hirnstamm

Hirnstamm/Truncus cerebri/brainstem

Der „Stamm“ des Gehirns, an dem alle anderen Gehirnstrukturen sozusagen „aufgehängt“ sind. Er umfasst – von unten nach oben – die Medulla oblongata, die Pons und das Mesencephalon. Nach unten geht er in das Rückenmark über.

Rückenmark

Rückenmark/Medulla spinalis/spinal cord

Das Rückenmark ist der Teil des zentralen Nervensystems, das in der Wirbelsäule liegt. Es verfügt sowohl über die weiße Substanz der Nervenfasern, als auch über die graue Substanz der Zellkerne. Einfache Reflexe wie der Kniesehnenreflex werden bereits hier verarbeitet, da sensorische und motorische Neuronen direkt verschaltet sind. Das Rückenmark wird in Zervikal-​, Thorakal-​, Lumbal und Sakralmark unterteilt.

Kate Bainbridge war 26 Jahre alt, als sie 1997 nach einer schweren Virusinfektion ins Koma fiel. Einige Wochen später öffnete die Grundschullehrerin die Augen und begann, wieder von selbst zu atmen. Doch mehr passierte nicht. Bainbridge reagierte scheinbar weder auf das, was sie sah, noch auf Geräusche und zeigte keinerlei Anzeichen von Bewusstsein – die Diagnose: Wachkoma.

Heute kann Bainbridge trotz körperlicher Einschränkungen wieder ein aktives Leben führen. Der Durchbruch – so sieht sie es heute – kam vier Monate nach ihrer Erkrankung, als der Neurowissenschaftler und Psychologe Adrian Owen mit ihr seiner ersten Wachkomapatientin begegnete. Owen, damals tätig an der britischen Universität Cambridge, wählte Bainbridge für einen neuen Test aus. Er schob sie in einen Positronen-​Emissions-​Tomographen (PET-​Scanner), um ihre Hirnaktivität zu messen. Dann zeigten Forscher Bainbridge abwechselnd Fotos ihrer Angehörigen und bedeutungslose Testbilder. Das Ergebnis beim Anblick der Familienfotos, war „der Anfang von allem“, sagt Owen. „Wir waren total verblüfft. Kates Gyrus fusiformis leuchtete auf wie ein Weihnachtsbaum – genau die gleiche Region, die auch Gesunde bei der Gesichtserkennung aktivieren.“

Die Ergebnisse dieses ersten Experiments motivierten Owen, der inzwischen an der University of Western Ontario in Kanada arbeitet (zur Webseite), seine wissenschaftliche Karriere der Suche nach dem verborgenen Bewusstsein zu widmen und Bainbridges Eltern zu neuer Hoffnung. „Uns wurde klar, dass da noch etwas sein könnte, das ihr helfen könnte, mit diesem schrecklichen Erlebnis klarzukommen“, erzählten sie 2006 in einem Interview der BBC. Kate Bainbridge erinnert sich nicht an das Experiment, aber in den folgenden zwei Jahren kehrte das Bewusstsein der jungen Frau langsam zurück.

Auge

Augapfel/Bulbus oculi/eye bulb

Das Auge ist das Sinnesorgan zur Wahrnehmung von Lichtreizen – von elektromagnetischer Strahlung eines bestimmten Frequenzbereiches. Das für den Menschen sichtbare Licht liegt im Bereich zwischen 380 und 780 Nanometer.

Gyrus fusiformis

Gyrus fusiformis/Gyrus fusiformis/fusiforme gyrus

Der Gyrus fusiformis liegt im inferioren, also inneren Temporallappen und spielt eine wichtige Rolle bei der Erkennung von Objekten. Im rechten Gyrus fusiformis wird die Gesichtserkennung vermutet, weshalb diese Struktur auch als fusiformes Gesichtsareal bezeichnet wird.

Intaktes Bewusstsein, fehlende Interaktionen

Owen suchte derweil nach Wegen, eindeutig nachzuweisen, was er, inspiriert durch Bainbridges Fall, längst vermutete: dass das Bewusstsein bei manchen Wachkomapatienten trotz vollständig fehlender Interaktionen mit der Außenwelt überwiegend intakt sein könnte. Die Zweifel in Fachkreisen waren groß. Bainbridges Gehirn hatte zwar Teilfunktionen gezeigt, aber diese konnten noch nicht mit einem intakten Bewusstsein gleichgesetzt werden. Owen selbst hatte zum Beispiel festgestellt, dass ein Mensch nicht bei Bewusstsein sein muss, um Sprache zu verarbeiten (zum Text). Eine komplexere Denkaufgabe musste her, die nur bewusst möglich war.

Owens große Chance kam neun Jahre später. Mitten im Wimbledon-​Tennissommer stahl Owen den Spielern auf dem Platz die Schlagzeilen mit einem virtuellen Tennisspiel der besonderen Art. Eine 23-​jährige Patientin, die fünf Jahren nach einem Autounfall noch immer im Wachkoma lag, hatte auf die Bitte hin, sich selbst beim Tennisspielen vorzustellen, im fMRT-​Scanner genauso verlässlich das supplementär-​motorische Areal (SMA) aktiviert wie gesunde Patienten (zum Text). Ebenso gut schnitt sie im Vergleich mit Gesunden ab, wenn sie sich vorstellen sollte, durch ihr Haus zu spazieren: Dann leuchtete stattdessen der Gyrus parahippocampalis auf. Für Owen waren diese Ergebnisse der eindeutige Beweis dafür, dass die Patientin trotz äußerlichem Wachkoma bei Bewusstsein war. „Gesunde Patienten, die gerade bewusstlos sind, können sich nicht auf Kommando vorstellen, Tennis zu spielen“, erzählte er das​Ge​hirn​.info.

Obwohl er viel Skepsis begegnete, erkämpfte Owen sich mit seinem Tennisparadigma zunehmend Respekt. Er entkräftete mit weiteren Experimenten Einwände, dass die Scanbilder unbewusste Reflexreaktionen auf das Wort „Tennis“ sein könnten. Owen wies nach, dass nur der gezielte Versuch eines Probanden, sich selbst bei dieser Aktivität vorzustellen, das SMA aktivierte, nicht jedoch das bloße Hören der Aussage, dass jemand anderes Tennis spielt. Dann fand Owens Team gemeinsam mit Steven Laureys‘ Forschungsgruppe von der Universität Lüttich in Belgien unter 53 Wachkomapatienten vier weitere Personen, die den Tennistest bestanden.

Gyrus parahippocampalis

Gyrus parahippocampalis/-/parahippocampal cortex

Der Gyrus parahippocampalis verläuft im unteren, inneren Temporallappen entlang des Hippocampus. Diese Windung wird ausgekleidet vom entorhinalen Cortex. Sie ist mit zahlreichen Arealen der Großhirnrinde verbunden und projiziert ihrerseits an den Hippocampus, als dessen Tor sie auch gilt. Damit ist sie unter anderem an der Verfestigung von expliziten Gedächtnisinhalten beteiligt.

Patienten antworten – und lösen Logikprobleme

Einer von ihnen war Patient 23. Der Mann war 27 Jahre alt und lag nach einem schweren Autounfall seit über fünf Jahren im Wachkoma. Nachdem sein Gehirn bei der virtuellen Tennispartie und der Hausbegehung besonders verlässliche Scan-​Ergebnisse produziert hatte, baten Owen und Laureys ihn darum, die beiden Gedankenspiele in einem Kommunikationsexperiment einzusetzen. Einfache Ja/​Nein-​Fragen wie „Heißt dein Vater Alexander?“ sollte Patient 23 beantworten, indem er sich für ein „Ja“ eine der beiden Aktivitäten vorstellte – etwa Tennisspielen – und für ein „Nein“ die andere. Bei fünf von sechs Fragen absolvierte Patient 23 den Test mit Bravour und „antwortete“ genauso zuverlässig korrekt wie gesunde Probanden. Auch auf die sechste Frage kam nicht etwa eine falsche Reaktion, sondern gar keine – der Patient war womöglich eingeschlafen.

Patient 23 ist nicht der einzige Wachkomafall, der per Scanner überraschend komplexe Denkleistungen mitteilen konnte. Erst kürzlich fand Owen einen 45-​jährigen Mann, der seit einem schweren Autounfall in Jahr 2008 im Wachkoma liegt, im Hirnscanner jedoch erfolgreich Logikaufgaben löst (zum Text). Der Patient und 20 gesunde Probanden bekamen unterschiedlich komplexe Sätze zu hören, bei denen es auf die logische Reihenfolge der Wörter „Haus“ und „Gesicht“ ankam. Die leichtesten Sätze verwenden direkte, aktive Aussagen („The house follows the face“); die schwierigsten Sätze arbeiten mit Verneinungen und Passivkonstruktionen („The house is not followed by the face“).

Die Studienteilnehmer sollten jeweils an das Objekt denken, das dem aktuellen Satz zufolge zuerst kommt. Der Gedanke an ein Haus löst ein anderes Aktivierungsmuster im Scanner aus als der Gedanke an ein Gesicht, so dass richtige von falschen Antworten unterschieden werden können. Bis auf die schwierigste grammatische Kategorie – bei der auch viele gesunde Teilnehmer patzten – waren die Scan-​Antworten des Patienten überwiegend korrekt. „Dieser Mann konnte komplizierte Logikprobleme im Scanner genauso gut lösen wie jeder von uns“, sagt Owen. „Für mich ist das der Beweis, dass Patienten, die im Wachkoma zu sein scheinen, tatsächlich bei vollem Bewusstsein sind.“

Gesucht: ein zuverlässiges, mobiles Kommunikationsgerät

Owen träumt von einer zuverlässigen und mobilen Methode, mit der bewusste Wachkomapatienten in jedem Krankenhaus oder Pflegeheim nicht nur richtig diagnostiziert werden könnten, sondern auch in die Lage versetzt würden, auf einfache Fragen zu ihrem Wohlergehen und ihren Wünschen zu antworten. Die technischen Hürden sind beachtlich: „Patienten für jede Frage in die fMRT-​Röhre zu schieben, ist unpraktisch und in abgelegeneren Gebieten unmöglich“, sagt Owen. Die Hirnscanner sind zu teuer, zu groß und zu unbeweglich, und viele Patienten sind gar nicht für fMRT-​Untersuchungen geeignet, weil sie plötzlich unfreiwillige Bewegungen machen, die das Messergebnis stören. Stattdessen geht Owens Team inzwischen mit einem „EEGeep“ auf Tour. Ausgestattet mit maßgeschneiderter EEG– und Analyse-​Technologie, die billiger und leichter zu transportieren ist, besucht das Fahrzeug die Patienten im weitläufigen Kanada vor Ort. Statt Tennis und Hausbegehungen bitten die Forscher die Probanden nun, sich vorstellen, entweder eine Hand oder einen Fuß zu bewegen. Beides löst Hirnaktivitäten aus, die sich auch mit einem EEG gut unterscheiden lassen. Ein EEG kann im Gegensatz zum fMRT nur Signale an der Oberfläche des Gehirns messen. Bereits 2011 konnten Owens und Laureys‘ Teams zeigen, dass drei von 16 Wachkomaptienten mit dem neuen Test verlässliche EEG-​Signale erzeugten, die mit denen gesunder Probanden vergleichbar waren (zum Text). Als nächstes wollen die Forscher Wege finden, auch diese Aufgabe zur Beantwortung von Ja/​Nein-​Fragen einzusetzen.

Owen glaubt, dass Patienten mit verborgenem Bewusstsein mithilfe von EEG und anderen Gehirn-​Maschine-​Schnittstellen künftig auch zu komplexerer Kommunikation in der Lage sein könnten. Der Schlüssel hierfür ist das sogenannte „Odball-​Paradigma“, bei dem das EEG die „P300“-Welle misst. Sie entsteht circa 300 Millisekunden nachdem eine für den Anwender interessante Antwort in einer Fülle von uninteressanten Alternativen aufgetaucht ist. Konzentriert sich der Anwender zum Beispiel auf das Wort „Ja“, löst sein Auftauchen in einer Matrix anderer Wörter das Signal aus. Dabei kann eine Matrix viele mögliche Antworten enthalten, zum Beispiel alle Buchstaben des Alphabets.

Einfach zu bedienen sind solche Technologien nicht, sagt Andrea Kübler von der Universität Würzburg, die kürzlich gemeinsam mit Laureys ein Oddball-​EEG-​System für Wachkomapatienten erfolgreich getestet hat (zum Abstract). Bei Patienten mit Bewusstseinsstörungen oder ungeklärtem Bewusstseinszustand sei es oft schwierig, eine Antwort auszulesen, berichtete Kübler das​ge​hirn​.info, zumal oft noch Aufmerksamkeitsstörungen hinzukämen. „Die Konzentration und Zeit, die man für eine erfolgreiche Bedienung komplexerer Systeme braucht, sind Faktoren, die solche Patienten oft kaum aufbringen können“, sagt sie. „Ja/​Nein-​Kommunikation wird für sie vorerst das Ziel bleiben.“

EEG

Elektroencephalogramm/-/electroencephalography

Bei dem Elektroencephalogramm, kurz EEG handelt es sich um eine Aufzeichnung der elektrischen Aktivität des Gehirns (Hirnströme). Die Hirnströme werden an der Kopfoberfläche oder mittels implantierter Elektroden im Gehirn selbst gemessen. Die Zeitauflösung liegt im Millisekundenbereich, die räumliche Auflösung ist hingegen sehr schlecht. Entdecker der elektrischen Hirnwellen bzw. des EEG ist der Neurologe Hans Berger (1873−1941) aus Jena.

Wachkomadiagnostik per Hirnscan soll Routine werden

Auch bis das klappt, werden sicherlich noch Jahre vergehen, glaubt Owen. „Bevor die Technologien in der klinischen Praxis eingesetzt werden können, müssen sie verlässlicher werden und einfacher zu bedienen – sowohl für das Personal als auch für die Patienten.“ Als nächsten Schritt wünscht er sich dringend, dass Hirnscans bei der Wachkomadiagnostik zur Routine werden. 2009 stellte sein Team fest, dass Scans nicht nur Bewusstseinssignale entdecken, die mit den bislang standardmäßig eingesetzten Verhaltensuntersuchungen bei der Diagnostik übersehen worden waren, sondern dass Patienten sich auch umso wahrscheinlicher erholen, je mehr der Scanner solche verborgene Gedankenfunken zeigt (zum Text).

Die Scans mögen nur die funktionierenden Bewusstseinsreste abbilden, auf deren Grundlage sich das Gehirn nach und nach von alleine erholt. Für wichtiger hält Owen jedoch eine andere Erklärung: „Uns ist immer wieder aufgefallen, dass nach einem positiven Scan-​Ergebnis die soziale Stimulation, die unsere Patienten bekommen, abrupt ansteigt. Den Leuten wird klar, dass es sinnvoll ist, mit dem Patienten zu reden.“

Kate Bainbridge jedenfalls ist überzeugt davon, dass die verstärkte Zuwendung, die sie nach den Scans erfuhr, entscheidend zu ihrer Genesung beigetragen hat. „Die Scans fanden Teile meines Gehirns, die funktionierten“, schrieb sie 2007 in einer E-​Mail (zum Text). „Es macht mir wirklich Angst, darüber nachzudenken, was ohne die Scans mit mir passiert wäre. Die Bilder zeigten anderen Leuten, dass es sich lohnte weiterzumachen, obwohl mein Körper nicht reagierte.“

zum Weiterlesen:

  • Hampshire, A et al: Assessing residual reasoning ability in overtly non-​communicative patients using fMRI. NeuroImage: Clinical 2013, 2: 174 – 183 (zum Text).
  • Kübler, A et al: A User Centred Approach for Bringing BCI Controlled Applications to End-​Users. In: Brain-​Computer Interface Systems — Recent Progress and Future Prospects, hg. von Reza Fazel-​Rezai, InTechverlag, 2013 (zum Text).
  • Monti, MM et al: Willful modulation of brain activity and communication in disorders of consciousness. New England Journal of Medicine, 2010, 362: 579 – 589 (zum Text).
  • Owen, AM et al: Detecting Awareness in the Vegetative State. Science, 313, 1402, 2006. (zum Text).
  • Kotchoubey B, Lotze M: Instrumental methods in the diagnostics of locked-​in syndrome. Restorative Neurology and Neuroscience, 2013;31(1):25 – 40 (zum Abstract).

Funktionelle Magnetresonanztomographie

Funktionelle Magnetresonanztomographie/-/functional magnetic resonance imaging

Eine Modifikation der Magnetresonanztomographie oder –tomografie (MRT, englisch MRI) die die Messung des regionalen Körperstoffwechsels erlaubt. In der Hirnforschung wird besonders häufig der BOLD-​Kontrast (blood oxygen level dependent) verwendet, der das unterschiedliche magnetische Verhalten sauerstoffreichen und sauerstoffarmen Bluts nutzt. Ein hoher Sauerstoffverbrauch kann mit erhöhter Aktivität korreliert werden. fMRT-​Messungen haben eine gute räumliche Auflösung und erlauben so detaillierte Information über die Aktivität eines bestimmten Areals im Gehirn.

Brain-Computer-Interface

Hirn-Computer-Schnittstelle/-/Brain-Computer-Interface

Eine direkte Schnittstelle zwischen Gehirn und Computer. Es gibt verschiedene Entwicklungsansätze von Gehirn-​Computer-​Schnittstellen: invasive – über eine Elektrode im Gehirn – genauso wie nicht-​invasive – über EEG. Sie erlauben zum Beispiel Locked-​in-​Patienten wieder zu kommunizieren. Auch die Steuerung von Arm– oder Beinprothesen über periphere Nerven ist ein Anwendungsgebiet.

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