Der Chip im Gehirn

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Autor: Ragnar Vogt

Eine Vision für die nahe Zukunft: Gelähmte Menschen sollen wieder laufen können. Forscher entwickeln dafür Computer-​Hirn-​Schnittstellen mit Chips, die ins Gehirn implantiert werden. Und diese invasiven Schnittstellen bieten noch andere Möglichkeiten.

Wissenschaftliche Betreuung: Andrea Kübler

Veröffentlicht: 27.05.2014

Das Wichtigste in Kürze
  • Computer-Hirn-Schnittstellen, deren Sensoren direkt ins Gehirn implantiert werden, liefern besonders viele Daten. Damit können – nach Vorstellung einiger Forscher – schon bald gelähmte Menschen ein Exoskelett steuern, mit dem sie wieder laufen können
  • Ein Schlüsselexperiment machte der portugiesische Forscher Miguel Nicolelis im Jahr 2002: Er brachte einem Rhesusaffen bei, über eine implantierte Computer-Hirn-Schnittstelle einen Roboterarm zu bewegen
  • Einem anderen Forscherteam um John Donoghue gelang 2012 der Durchbruch beim Menschen: Eine gelähmte Frau steuerte über eine Computer-Hirn-Schnittstelle einen Roboterarm
  • Die Visionen zu Computer-Hirn-Schnittstellen sind vielfältig: Damit könnten eines Tages neue Sinneswahrnehmungen möglich sein. Computer-Eingabegeräte wie Tastatur und Maus könnten überflüssig werden, das Gehirn verbindet sich dann direkt mit dem Rechner

Der Mann erhebt sich aus seinem Rollstuhl, geht ein paar Schritte, drückt mit seiner Hand die Türklinke, öffnet die Tür und verlässt den Raum. Er ist vom Hals abwärts querschnittsgelähmt – und dennoch kann er seine Arme und Beine bewegen. Wie ist das möglich? Die Lösung des Rätsels: Ein Chip in seinem Gehirn hilft ihm. Dieser registriert elektrische Reize von den Nervenzellen des motorischen Cortex des Patienten und funkt sie an einen Computer. Der berechnet aus den elektrischen Signalen Befehle für ein Exoskelett, eine Art Ganzkörper-​Korsett, das der Mann angelegt hat. So kann er allein mit seinen Gedanken die mechanischen Motoren steuern, die wiederum seine Gliedmaßen bewegen.

Noch ist dieses Szenario eine Vision. Doch es ist ein großes Ziel vieler Forscher, die sich mit Computer-​Hirn-​Schnittstellen (englisch: Brain-​Computer-​Interface, oder kurz BCI; Mensch-​Maschine-​Kommunikation — So geht’s) beschäftigen: Gelähmte Menschen sollen sich wieder bewegen können. Oder wie es Miguel Nicolelis von der Duke University, ein Pionier dieses Forschungsgebietes, gegenüber das​Ge​hirn​.info voller Optimismus ausdrückte: „Binnen einer Generation könnten Rollstühle überflüssig werden.“

Nicolelis hatte bereits im Jahr 2003 gezeigt, dass ein solches System im Prinzip funktioniert: Er hatte einer Rhesusaffendame namens Aurora einen Messfühler in den Cortex implantiert, mit 320 winzigen Elektroden. Diese messen Spannungsunterschiede, die durch die Aktivität von Nervenzellen entstehen. Das Tier lernte anschließend, mit einem Joystick einen Roboterarm zu steuern. Allerdings mit der Besonderheit, dass nach einer Weile der Roboterarm nicht direkt auf die Befehle des Joysticks reagierte, sondern auf die entsprechenden von einem Computerprogramm aufbereiteten Signale aus dem Affengehirn.

Plötzlich ließ die Affendame den Joystick los und lenkte ganz ohne Hilfsmittel den mechanischen Arm. Sie hatte festgestellt, dass sie ihn auch nur mittels ihrer Gedanken bewegen kann, als wäre es ihr dritter Arm. Das sei der Wendepunkt seines Lebens gewesen, äußerte sich Nicolelis Jahre später.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Cortex

Großhirnrinde/Cortex cerebri/cerebral cortex

Der Cortex cerebri, kurz Cortex genannt, bezeichnet die äußerste Schicht des Großhirns. Sie ist 2,5 mm bis 5 mm dick und reich an Nervenzellen. Die Großhirnrinde ist stark gefaltet, vergleichbar einem Taschentuch in einem Becher. So entstehen zahlreiche Windungen (Gyri), Spalten (Fissurae) und Furchen (Sulci). Ausgefaltet beträgt die Oberfläche des Cortex ca 1.800 cm2.

Mehr Daten durch invasive Computer-​Hirn-​Schnittstellen

Für seine Experimente hatte der Forscher von Beginn an auf sogenannte invasive Computer-​Hirn-​Schnittstellen gesetzt. Sprich auf Techniken, für die bei einer Operation ein Messfühler ins Gehirn gepflanzt wird. Es gibt auch Brain-​Computer-​Interfaces, für die es keinen solchen Eingriff braucht. Sie nutzen meistens das Elektroenzephalogramm (EEG), also die Möglichkeit, Hirnströme mit Elektroden auf der Kopfhaut zu messen (Kommunikation per Badekappe). Auch damit können Computer gesteuert werden. Allerdings sind die Möglichkeiten eingeschränkt. Schwerstgelähmte Menschen können mit dem EEG-​Signal kommunizieren.

Bei komplexeren Aufgaben stößt die Technik an ihre Grenzen. So lassen sich etwa Prothesen nicht so einfach steuern. Anders die invasiven Methoden: Hier können mit immer feineren Messfühlern immer mehr Daten aus dem Gehirn abgeleitet werden. Nicolelis verfügt derzeit über Messchips mit 2.000 Elektroden, er arbeitet an solchen mit 20.000. Für die Steuerung eines Ganzkörper-​Exoskeletts bräuchte es, so vermutet er, 50.000 Elektroden.

Risikoreiche invasive Methoden

Die medizinischen Risiken des Systems liegen auf der Hand: Eine Hirn-​OP ist notwendig; das ist ein massiver Eingriff. Es kann zu Hirnblutungen kommen, Infektionen im Gehirn drohen. Für die derzeit gängigen Techniken braucht man zudem ein Kabel, das die Daten aus dem Chip im Hirn nach außen leitet. Durch das dauerhaft offene Loch im Schädel könnten weitere Komplikationen folgen.

Zumindest letzteres Risiko dürfte in den Griff zu bekommen sein: Die Forscher, unter anderem auch das Team von Nicolelis, entwickeln Techniken, um die Daten per Funk vom Chip durch die Schädeldecke hindurch zum Computer zu transportieren. Ein vergleichbares kabelloses System hat sich bereits bei den Cochlea-​Implantaten durchgesetzt, mittels derer taube Menschen wieder hören können (Gehör-​Updates für Ertaubte).

Roboterarm für gelähmte Frau

Was Nicolelis 2003 mit einem Affen gelang, das erreichte ein Forscherteam um den Neurowissenschaftler John Donoghue von der Brown University im Jahr 2012 beim Menschen. „Braingate2“ nannten sie ihr Aufsehen erregendes Experiment. Die Patientin Cathy Hutchinson hatte 15 Jahre zuvor einen Schlaganfall erlitten, seitdem ist sie gelähmt. Die Forscher implantierten ihr ein vier mal vier Millimeter großes Plättchen mit rund 100 Elektroden ins Gehirn, und zwar in den motorischen Cortex, genau dort, wo normalerweise die Arme gesteuert werden.

Nach intensivem Training schaffte es Hutchinson, einen Roboterarm mit ihren Gedanken zu bewegen. So konnte sie eine Flasche mit Kaffee von einem Tisch nehmen und zu ihrem Mund führen. Es war das erste Mal seit 15 Jahren, dass sie sich selbstständig etwas zu trinken holte. Ein Youtube-​Video, in dem man sie anschließend glücklich lachen sieht, machten Cathy Hutchinson und das Experiment berühmt.

Noch ist die Technik nicht ausgereift. Nur in vier von sechs Versuchen konnte Hutchinson die Flasche zu ihren Lippen bringen. Dennoch gilt der Versuch als ein Erfolg – es war zu dem Zeitpunkt die komplexeste Handlung, die ein Mensch über eine Computer-​Hirn-​Schnittstelle ausgeführt hatte. So erscheint die Zukunftsmusik, eines Tages gelähmte Menschen laufen zu lassen, nicht mehr in ganz so weiter Ferne. Und die Forschung schreitet voran. Der Pionier Nicolelis etwa ließ einen Affen nur mit Kommandos aus dessen Gehirn gleich zwei virtuelle Arme bewegen.

Schlaganfall

Schlaganfall/Apoplexia cerebri/stroke

Bei einem Schlaganfall werden das Gehirn oder Teile davon zeitweilig nicht mehr richtig mit Blut versorgt. Dadurch kommt es zu einer Unterversorgung mit Sauerstoff und dem Energieträger Glukose. Häufigster Auslöser des Schlafanfalls ist eine Verengung der Arterien. Zu den häufigsten Symptomen zählen plötzliche Sehstörungen, Schwindel sowie Lähmungserscheinungen. Als Langzeitfolgen können verschiedene Arten von Gefühls– und Bewegungsstörungen auftreten. In Deutschland ging 2006 jeder dritte Todesfall auf einen Schlaganfall zurück.

Informationsübertragung von einer Ratte zur anderen

Nicolelis beschäftigte sich nicht nur damit, Daten aus dem Gehirn abzuleiten, wie etwa bei dem Roboterarm. Ihm gelang es auch, Informationen ins Gehirn einzuspeisen: Über einen Infrarot-​Sensor, der mit einem Chip im Gehirn einer Ratte verbunden war, konnte sich das Tier an Infrarot orientieren: Licht, das der Nager mit seinen Augen nicht sehen kann.

In einem weiteren Versuch koppelte Nicolelis die Computer-​Hirn-​Schnittstellen von zwei Ratten miteinander. Daten wurden von dem Gehirn des einen Tiers – dem Sender – von einem Rechner aufbereitet und dann in das Oberstübchen des zweiten Tiers – dem Empfänger – eingespeist. So bekam die Empfänger-​Ratte die Information, welchen von zwei Schaltern sie drücken muss, aus dem Gehirn des Sender-​Tiers.

Manche Forscher gehen noch einen Schritt weiter mit ihrer Vision: Sie prophezeien, dass Computer-​Hirn-​Schnittstellen noch in diesem Jahrhundert Eingabegeräte wie Maus und Tastatur überflüssig machen werden. Wir werden dann nur mit unseren Gedanken den Rechner steuern, glauben sie.

All diese Visionen werfen viele ethische Fragen auf. Das Gehirn ist der Träger unserer Individualität, unserer Persönlichkeit. Wenn nun Chips im Hirn unser Denken und Handeln beeinflussen, dann wird die Trennung kaum mehr möglich sein, was Mensch ist und was Technik. Klar ist: Sollten sich Computer-​Hirn-​Schnittstellen tatsächlich durchsetzen, dann wird das unser Menschenbild massiv verändern.

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.

zum Weiterlesen:

  • Clausen, J., Ethische Aspekte von Computer-​Hirn-​Schnittstellen in motorischen Neuroprothesen, International Review of Information Ethics 2006, 5 (09), S. 25 – 32, (zum Abstract)
  • Giselbrecht, S., Chemie der Cyborgs – zur Verknüpfung technischer Systeme mit Lebewesen, Angewandte Chemie 2013, 125 (52), S. 14190 – 14206, (zum Abstract)
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