Wenn das Gehirn mit dem Computer spricht

Hirn 2.0

Wenn das Gehirn mit dem Computer spricht

Weltweit belauschen Forschungsgruppen das Gehirn bei seiner Arbeit. Alle haben dasselbe Ziel: Sie wollen die elektrischen Signale des Gehirns entschlüsseln. Auf diese Art könnten beispielsweise gelähmte Menschen zukünftig robotische Hilfsmittel steuern.

Der Code-Knacker
Im Freiburger Netzwerk zur Gehirn-Computer-Schnittstellenforschung koordiniert Tonio Ball die Arbeit der Wissenschaftler. Er selbst forscht daran, Gehirnströme in eine dem Computer verständliche Sprache zu übersetzen. Dabei arbeitet Ball mit Probanden, die er mit einem Computer verknüpft, indem er ihnen eine Elektrodenkappe über den Kopf stülpt. Mit dieser analysiert er ihre Gehirnströme. Das Verfahren, durch das er die elektrischen Impulse aus dem Gehirn messen kann, nennt sich Elektroenzephalografie (kurz: EEG).

Splitscreen (Tonio Ball mit Proband in seinem Testlabor)

Im EEG-Labor misst und übersetzt der Neurowissenschaftler Tonio Ball Gehirnströme.

Das Problem: Das EEG-Verfahren ist sehr störanfällig. Kleinste Bewegungen erzeugen ebenfalls elektrische Signale, welche die Messungen oft unbrauchbar machen. Tonio Ball muss also nicht nur herausfinden, welche Signale für seine Arbeit wirklich relevant sind, sondern auch, mit welchen technischen Mitteln er sie am besten empfangen kann.

Näher am Gehirn
Besonders wichtig ist für Tonio Ball deshalb, was sein Kollege Thomas Stieglitz entwickelt. Der Ingenieur und Forscher am Freiburger Institut für Mikrosystemtechnik arbeitet an hochauflösenden Elektroden, die sehr viel bessere Informationen liefern können, als Balls Elektrodenkappe. Allerdings werden diese Elektroden auch nicht von außen aufgesetzt, sondern liegen direkt auf die Oberfläche des Gehirns. Ein drastischer Schritt, den Stieglitz wie folgt erklärt:
"Stellen Sie sich vor, Sie belauschen ein Geräusch durch die Wand im Nachbarraum, dann hören Sie zwar, dass dort jemand spricht, aber Sie kriegen nicht genügend Informationen aus dem Gespräch. Wenn Sie jetzt direkt auf die Gehirnoberfläche gehen oder vielleicht sogar mit sehr kleinen Strukturen an einzelne Zellen im Gehirn, dann können Sie die Signale viel besser verstehen. Sie können viel besser, um bei dem Beispiel zu bleiben, dem Gespräch folgen."

Tonio Ball und Thomas Stieglitz stehen nebeneinander in Forschungslabor

Ingenieur und Neurowissenschaftler arbeiten Hand in Hand.

Verbunden mit dem Computer
Elektroden in den Kopf zu implantieren, ist keine neue Idee. Anfang des Jahrtausends gelang es bereits verschiedenen Forschergruppen zeitgleich, Affen Chips ins Gehirn zu implantieren und die gewonnenen Signale so zu deuten, dass der Affe einen künstlichen Arm bewegen und so nach Futter greifen konnte.

Auch Menschen haben amerikanische Wissenschaftler bereits Gehirn-Computer-Schnittstellen implantiert. So erhielt zum Beispiel Matthew Nagel 2004 ein Gehirnimplantat. Der Mann, der seit 2001 nach einem Messerstich ins Rückenmark vom Hals abwärts gelähmt war, konnte nach der Operation per Gedankenkraft Befehle an einen Curser auf einem Bildschirm geben und eine Handprothese öffnen und schließen, wenn auch nicht mit durchgängigem Erfolg.

Problem Infektionsrisiko
Nach einem Jahr entfernten die Ärzte Matthew Nagel das Implantat wieder – wie geplant. Denn es gibt ein weiteres, großes Problem bei der Verbindung von Gehirn und Computer: Bisher sind Kabelleitungen nötig, um Gehirnsignale aus dem Kopf zu bringen. Auf Dauer ist die Infektionsgefahr zu groß.

Künstliches Gehirn mit Elektrodenmatte in einem Glasbehältnis

In Zukunft sollen implantierte Elektroden die Signale aus dem Gehirn dauerhaft aufnehmen können.

Der Freiburger Ingenieur Stieglitz will auch hier einen Schritt weiter kommen. Er entwickelt Elektroden, die kabellos mit einem Computer kommunizieren: Eine grundlegende Voraussetzung für dauerhafte Implantate. Daneben müssen Gehirnimplantate auch besonders verträglich sein. Weder Technik noch Körper dürfen Schaden nehmen. Im Gegensatz zu US-amerikanischen Detektoren, die mit vielen kleinen Elektroden-Nadeln in das Gehirn eingedrückt werden, arbeitet Stieglitz deshalb auch an Elektroden, die lediglich auf das Gehirn aufgelegt werden.

Das Ziel der Gedankenleser
Dennoch werden auch in Freiburg bereits Epilepsiepatienten mit direkt am Hirn angebrachten Elektroden untersucht. Einige führen dabei auch für Tonio Ball kleine Aufgaben durch und bewegen beispielsweise mit der Hand einen Gegenstand vor und zurück. Die dabei gewonnenen Daten helfen Ball bei seiner Analyse. So weiß er mittlerweile, dass bei bestimmten Tätigkeiten gleich eine Vielzahl unterschiedlicher Neuronen-Netzwerke im Gehirn aktiv werden.

Kopf eines Probanden mit Elektroden-Kappe im Anschnitt

Gesunde Probanden versuchen über die Elektrodenkappe einem Computer Befehle zu geben.

Tonio Ball konnte diese Aktivitäten bereits so gut entschlüsseln, dass seine Probanden inzwischen die Bahn eines Balles auf einem Computerbildschirm allein durch Gedankenkraft steuern und einem Roboter gezielte Befehle geben können.

Ein Ziel dieser Forschung ist es, in Zukunft gelähmten Personen wieder eine geringfügige Selbständigkeit zu ermöglichen. Dann können sie beispielsweise Rollstühle bewegen oder Armprothesen so lenken, dass diese ihnen eine Kaffeetasse reichen.

Filmautor: Ulf Kneiding

Stand: 07.02.2014, 12:00

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