Reine Kopfsache

Kleiner als ein Knopf

Der erfolgreiche Eingriff der Forscher aus Ohio zeigte, was technisch möglich ist. Inzwischen wurde die Methode weiterentwickelt und verbessert. Seit der ersten Anwendung kam sie bei weltweit rund zwei Dutzend Patienten zum Einsatz – im Rahmen des Forschungsprogramms „BrainGate“, das unter anderem von der US-Regierung finanziert wird. Die heute verwendeten Sensorbündel, sogenannte Arrays, sind kleiner als ein Knopf und ermöglichen es den Betroffenen, Roboterarme oder einen Cursor auf einem Bildschirm per Gedankenkraft recht rasch zu bewegen.

Hinter solchen Erfolgen stehen umfassende weltweite Forschungsprogramme – und große Hoffnungen für Menschen mit schweren Behinderungen, etwa nach einem Schlaganfall, oder mit amputierten Armen oder Beinen. Ein Ziel ist, dass sie durch einen direkten Draht zum Gehirn ihre Prothese steuern können. Seit mehrere große Technologieunternehmen wie Google, Amazon, Facebook und Microsoft und sogar die US-Militärforschungsagentur Darpa viel Geld in diese ehrgeizige Entwicklung investieren, hat sie Fahrt aufgenommen.

Dabei unterscheiden sich die technischen Konzepte der Forscher. Nicht immer geht es darum, mit Mikrochips und Elektroden ins Gehirn einzudringen. Auch durch Kappen oder Helme, die mit Drähten bestückt über den Kopf gezogen werden, lassen sich Hirnsignale empfangen. Beide technischen Ansätze haben Vor- und Nachteile. So stammen die über Implantate abgeleiteten Signale unmittelbar aus den entscheidenden Nervenzentren. Doch das operative Einsetzen der Elektroden ins Gehirn hinterlässt kleine Wunden und Narben. Kopfhauben dagegen lassen sich zwar leicht auf- und absetzen, aber der Knochen der Schädeldecke dämpft die von der Hirnaktivität ausgehenden Signale.

Künstlicher Tastsinn

Inzwischen arbeiten US-Forscher Robert Kirsch und sein Team an einer neuen Version. Anders als bei seinem ersten Patienten platzieren die Forscher die Elektroden nun nicht mehr direkt in die Muskeln, sondern oberhalb davon: an den Nerven, die diese Muskeln zur Bewegung anregen. Kirsch hofft, dass dadurch eine gleichzeitige Steuerung von Arm und Hand möglich wird. Ein weiteres Ziel des Wissenschaftlers aus Cleveland: Er will gelähmten Menschen ihren Tastsinn zurückgeben. Sie sollen fühlen können, ob sie etwa einen Becher oder einen Apfel in der Hand halten.

„Der Tastsinn bei Gelähmten ist lange ignoriert worden“, bedauert Kirsch. Dabei könnte die Fähigkeit zu tasten die Kommunikation zwischen Mensch und Maschine erheblich verbessern. Denn nur wer spürt, was in seiner Hand geschieht, kann darauf reagieren und seine Kraft richtig dosieren – zum Beispiel beim Anfassen eines zerbrechlichen Gegenstandes.

Greifen mit Biohänden

Nathan Copeland lernte das künstlich erzeugte Tastgefühl als Erster kennen. Seit 2014 nimmt der US-Amerikaner an einem Projekt der University of Pittsburgh teil, das von den Neuroingenieuren Michael Boninger und Andrew Schwartz geleitet wird. Copeland ist seit einem Autounfall, bei dem sein Rückgrat verletzt wurde, vom Hals abwärts gelähmt. In sein Gehirn haben die Forscher vier Elektrodensätze aus Silizium implantiert. Über einen Stecker auf dem Kopf sind sie mit einem Roboterarm samt mechanischer Hand verbunden. Sensoren an den künstlichen Fingern übertragen laufend Sensordaten an den somatosensorischen Kortex – an den Teil der Hirnrinde, in dem Kontaktsignale der rechten Hand verarbeitet werden. Damit kann Copeland Berührungen an den Fingern der Roboterhand „spüren“, als ob er mit seiner eigenen Hand nach etwas greifen würde. Allerdings muss er vor jeder Nutzung das Hirn-Computer-Interface neu kalibrieren, das seine Gedanken interpretiert. „Die Hirnsignale ändern sich von Tag zu Tag“, berichtet er. Die vermittelten Empfindungen seien manchmal „seltsam“ und „elektrisch prickelnd“. Doch das Feedback aus der Roboterhand gibt dem Gelähmten das Gefühl, dass sie kein fremder Gegenstand ist, sondern ein Teil seines Körpers. Inzwischen kann Copeland Objekte nicht nur fühlen, sondern sie auch per Gedankenkraft bewegen.

Fast natürliches Empfinden

Stanisa Raspopovic forscht an einer Technik, die das Tasten mit künstlichen Händen erleichtern soll. Der Neuroingenieur am Institut für Robotik und Intelligente Systeme der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich hat ein neuartiges System entwickelt, das bei Menschen mit amputierten Gliedmaßen die sensomotorischen Funktionen wiederherstellt. Seine künstlichen „Biohände“ stimulieren mit winzigen Elektroden die im Armstumpf verbliebenen Nerven so, dass im Gehirn eine fast natürliche Empfindung der fehlenden Gliedmaßen entsteht. Außerdem lassen sich die künstlichen Hände präzise bewegen.

Für eine komfortable Anwendung bei Patienten entwickeln der Schweizer Forscher und sein Team eine „prothetische elektronische Haut“. Sie soll aus einem leicht formbaren Polymer bestehen, in das zahlreiche Tast-Sensoren eingebettet sind. „Das kann man sich wie Handschuhe oder Socken vorstellen“, erläutert Raspopovic. Die Kunsthäute werden über die Prothesen an Hand oder Fuß gezogen – und vermitteln dann Sinneseindrücke wie Druck oder Wärme.

Inzwischen haben auch einige Unternehmen die Technik der direkten Kommunikation mit dem Gehirn für sich entdeckt. So versuchen die Facebook Reality Labs in Pittsburgh, ohne Elektroden im Hirn auszukommen. In der Forschungseinrichtung des Social-Media-Konzerns werden Helme konstruiert, die per Infrarotlicht ins Innere des Gehirns spähen sollen. Zudem entwickeln die Forscher dort drahtlose Hirnimplantate.

Mit Gedanken kommunizieren

Ziel ist es, damit Begriffe zu erkennen, sobald sie nur gedacht werden. Dazu testen die Forscher in Pittsburgh ihre Technik an Menschen, die etwa an Amyotropher Lateralsklerose (ALS) erkrankt sind – worunter auch der Physiker Stephen Hawking litt. Dabei friert nach und nach jede Bewegungsfähigkeit ein, und die Betroffenen verlieren auch die Fähigkeit zu sprechen. Solchen quasi in ihrem eigenen Körper eingesperrten Menschen soll die neue Technik wieder ermöglichen, mit anderen zu kommunizieren.

Allerdings: Sprache allein aus der Hirnaktivität herauszulesen – ob per Kappe oder mit implantierten Elektroden –, ist eine enorme Herausforderung. Um sie zu meistern, setzen die Wissenschaftler neben einer geeigneten Sensor-Hardware auch auf Künstliche Intelligenz (KI), die den wirren elektrischen Signalbrei aus dem Kortex auf Sprachmuster hin durchsucht. Das verbessert die Treffsicherheit bei der Worterkennung enorm.

Bis vor Kurzem war die Technik zum Decodieren gedachter Sprache durch die Kopfhaut recht ungenau und fehleranfällig. Maximal 60 von 100 Begriffen ließen sich damit korrekt erkennen. Doch 2020 demonstrierten die Facebook-Forscher, dass ihre neue KI-gestützte elektronische Sprachprothese Worte und Satzstücke blitzschnell und sehr zuverlässig erkennen kann. Antworten von Testpersonen auf Fragen, die auf einem Vokabular von 300 Worten basierten, ließen sich so mit einer Fehlerquote von nur drei Prozent entschlüsseln.

Die Forscher arbeiten außerdem daran, Menschen ihre Sprachfähigkeit zurückzugeben, die diese etwa durch Verletzungen am Hirnstamm oder Rückenmark oder infolge einer neurodegenerativen Erkrankung verloren haben. Der Neurochirurg Edward Chang von der University of California in San Francisco hat dazu ein Konzept entwickelt und 2020 in einer Studie gezeigt, dass es prinzipiell funktioniert. Chang und sein Team implantierten Sensoren im Motorkortex von freiwilligen Testpersonen – Patienten mit Epilepsie, die ohnehin am Gehirn operiert werden müssen und denen die Sensoren für das Experiment nur vorübergehend eingepflanzt wurden.

Die Messfühler registrierten die elektrische Aktivität in einer Hirnregion, die beim Sprechen die Muskeln zum Bewegen von Kiefer, Lippen, Zunge und Kehlkopf steuert. Die Hirnbereiche, die diese Muskeln ansteuern, bleiben auch bei einem Verlust der Sprechfähigkeit meist intakt und aktiv. Daher lässt sich aus ihren Signalen herauslesen, was der Betroffene sagen will. Mithilfe von Sprachmodellen und Methoden des maschinellen Lernens gelang es den kalifornischen Forschern um Chang, bis zu 97 Prozent der gedachten Worte korrekt zu erkennen. Durch eine synthetische Stimme lassen sie sich hörbar machen.

Auch Elon Musk mischt mit

Bei der Forschung auf diesem Gebiet mischt auch Elon Musk mit. Der Elektrofahrzeug- und Raumfahrt-Pionier hat dazu die Firma Neuralink gegründet, die drahtlose Hirnimplantate entwickelt. Die Technik wird nach ersten Versuchen an Affen seit Ende 2020 an freiwilligen Patienten erprobt. Auch die Neuralink-Chips werden bei einer Schädeloperation ins Gehirn implantiert. Doch sie sind dünner und biegsamer als die Sensoren, die etwa der gelähmte Nathan Copeland trägt, und sie können sich besser an die organischen Strukturen im Gehirn anpassen. Die Forscher aus Pittsburgh hoffen, dass dadurch beim Implantieren weniger Blutgefäße verletzt werden. Aus den Chips ragen haarfeine Drähte, die ins Hirngewebe versenkt werden. An jedem Draht befinden sich viele winzige Sensoren. Damit lassen sich mehr Daten der Hirnaktivität erfassen als mit Sensorchips, die mit Kappen oder Helmen auf der Kopfhaut angebracht sind. Die Implantate von Neuralink sind außerdem bidirektional: Sie können Daten sowohl aus dem Gehirn herauslesen als auch an das Gehirn senden.

Ein Hemmnis ist bislang die Abwehrreaktion des Gehirns gegen die Implantate: Immunzellen greifen die Sensordrähtchen an. Das verringert den Kontakt der Drähte zu den Nervenzellen und dämpft die registrierten Signale.

Körner im Kopf

Doch auch dafür könnte es eine Lösung geben. Sie besteht in noch kleineren Sensoren, die völlig ohne Drähte auskommen. Solche kontaktlosen Minisensoren entwickelt der Physiker und Ingenieur Arto Nurmikko an der Brown University in Providence. Er nennt die Gebilde „Neurokörner“: wenige Mikrometer kleine implantierbare Messfühler aus Silizium, von denen jeder kaum größer ist als ein Neuron. Weil sie so klein sind, bieten die Neurokörner keinen Platz für eine Batterie. Stattdessen werden sie von außen über Mikrowellen aktiviert. Auch die Daten lassen sich per Mikrowellen auslesen. Nurmikko hält es für möglich, bis zu etwa tausend solcher sensiblen Winzlinge im Gehirn zu platzieren.

An Mäusen hat er die Technik bereits getestet. Aber noch ist unklar, wie es damit weitergehen wird. Denn es gibt ethische Bedenken: Ist es vertretbar, eine so stark invasive Technik an Menschen zu erproben? In jedem Semester richtet Nurmikko dieselbe Frage an seine Studenten: Wer würde sich freiwillig für so ein Experiment melden? Die Antworten überraschen: „Etwa die Hälfte der Studenten wäre dazu bereit.“