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Computersteuerung mit Nervenimpulsen

Zahlreiche elektrische Signale des willkürlichen Nervensystems lassen sich mit spezieller Elektronik und Software in Steuerimpulse für Rechnersysteme umsetzen. Noch sind solche Verfahren weitaus umständlicher und schwieriger als die Bedienung von Tastatur und Maus; aber die Pioniere dieses Forschungsgebiets erwarten davon eine große Erleichterung für körperlich Behinderte.

In dem vor vier Jahrzehnten gedrehten Science-Fiction-Film "Verbotener Planet" entdecken Raumfahrer auf einem fernen Planeten die Relikte einer technologisch hochentwickelten Zivilisation, darunter einen noch funktionstüchtigen Computer. Erstaunlicherweise vermögen sie mit ihm zu kommunizieren: Am Kopf befestigte, geheimnisvoll glimmende Elektroden speisen Gedanken und Gefühle direkt in die Maschine.

Jüngere Varianten solcher Phantasien prophezeien, in das Gehirn implantierte Interfaces ermöglichten, in virtuelle Welten einzutauchen; die Maschine würde so zu einer Erweiterung des zentralen Nervensystems oder – eine ebenso mögliche Sichtweise – der Mensch zum Anhängsel des Apparats. Ungeachtet aller ethischen Probleme – die Konstruktion einer direkten, vielseitigen neuronalen Verbindung zwischen menschlichem und elektronischem Gehirn war bislang und ist auch in nächster Zukunft technisch gar nicht möglich.

Immerhin gibt es erste Ansätze, Computer mittels Nervenimpulsen statt manuell oder durch eine Spracheingabe zu steuern (vergleiche auch Spektrum der Wissenschaft, Juni 1995, Seite 94, März 1994, Seite 86). Sie sind durchaus von gesellschaftlichem Interesse: Auf diese Weise könnte man nicht nur umständliche Kontrollfunktionen vereinfachen, sondern auch Menschen mit schwersten neuromuskulären Behinderungen helfen, Rechner zu bedienen und damit wiederum auf ihre Umwelt leichter Einfluß zu nehmen oder überhaupt zu kommunizieren.

Während der letzten zehn Jahre entwickelten wir Prototypen neuronaler Kontrollgeräte für Computer, die keiner Manipulation oder Spracheingabe bedürfen (Bild 1). Sie lassen sich je nach Art und Schwere der Behinderung sowie gemäß einer Vielzahl sonstiger Bedürfnisse auslegen.


Körperströme

Die elektrische Natur des menschlichen Nervensystems ist seit mehr als einem Jahrhundert bekannt. Im Jahre 1849 gelang dem deutschen Physiologen Emil Du Bois-Reymond (1818 bis 1896) der erstmalige Nachweis elektrischer Impulse von geringer Spannung bei Kontraktion seiner Armmuskeln. Er verwendete dabei ein einfaches Galvanometer, das auf der Wechselwirkung eines permanenten Magnetfeldes mit dem eines stromdurchflossenen Leiters beruhte. Dazu versuchte er zunächst, die Meßsignale von der Oberhaut abzuleiten. Um den elektrischen Widerstand der Kontaktstelle möglichst gering zu halten, nahm er als Elektroden Schnipsel von Fließpapier, die mit isotonischer Kochsalzlösung getränkt waren. Schließlich suchte er den Widerstand sogar gänzlich auszuschalten, indem er Blasen an beiden Armen erzeugte, sie aufschnitt und seine Papierelektroden in die Wunden plazierte. Damit vermochte er dreißigmal stärkere Signale aufzuzeichnen als auf intakter Haut.

Diese frühen Untersuchungen begründeten die Elektromyographie (EMG), das Aufzeichnen von Aktionsströmen im Muskelgewebe und von Muskelaktionspotentialen. Mit eingestochenen Nadel- oder fixierten Oberflächenelektroden sowie empfindlichen elektronischen Verstärkern vermag man nun trotz des Hautwiderstandes auch geringe Spannungen zu registrieren. Bereits in den siebziger Jahren begannen Mediziner auf dieser Grundlage Prothesen und Servomechaniken zu entwickeln, die Schwerstbehinderte aktiv steuern können sollten; die Elektronik dafür war aber noch zu voluminös, schwer und teuer.

Zudem genügt es nicht, Elektroden auf der Haut eines Patienten zu befestigen und an einen gewöhnlichen Prozessor anzuschließen. Es bedarf vielmehr spezieller elektronischer Schaltungen und Software, um die Muster der Muskelströme zu analysieren und zu deuten. Dazu haben wir ein Gerät entwickelt, das als universales Interface zwischen Computern und den verschiedenen elektrischen Signalen im Körper dienen kann; wir nennen es die Biomuse (Kasten auf Seite 76).

Zunächst werden damit die abgeleiteten Impulse etwa um das Zehntausendfache verstärkt und digitalisiert. Dann ermittelt ein Rechner in zahlreichen weiteren Bearbeitungsschritten, welche Muskelfasern in der Nähe der Elektrode wie stark kontrahieren. Daraus nun wiederum werden Anweisungen generiert, die ähnlich der Eingabe per Tastatur oder Maus einen Personal Computer steuern können. Dazu muß der Benutzer allerdings speziell trainiert sein: Nur eine Kontraktion bestimmter Muskeln bewirkt definierte Aktionen (Bild 2).

Einige solcher Entwicklungen erwiesen sich bereits als besonders nützlich für Behinderte. David J. Warner, Neurologe am Medizinischen Zentrum der Universität Loma Linda (Kalifornien), nahm 1993 per Biomuse Elektromyogramme vom Gesicht eines zehnjährigen Jungen ab, der seit einem Autounfall vom Hals abwärts gelähmt war. Durch Anspannung bestimmter Gesichtsmuskeln vermochte er Symbole auf einem Bildschirm hin- und herzubewegen – es war das erste Mal, daß er wieder auf irgend etwas ohne fremde Hilfe einwirken konnte.

Doch Technik ist versatil. Zur Zeit arbeiten wir an einer EMG-Maus, die beispielsweise mit den Unterarmmuskeln aktiviert werden kann, um den Bildschirm-Cursor (das meist blinkende Zeichen an der Stelle, wo die nächste Eingabe erscheint) zu bewegen.


Ein kaum genutztes Potential

Ein anderes bioelektrisches Phänomen, das für solche Zwecke genutzt werden kann, ist das Hornhaut-Netzhaut-Potential. Es entsteht, weil die Netzhaut gegenüber der Hornhaut leicht negativ geladen ist; das Auge bildet mithin einen elektrischen Dipol. Bringt man Elektroden paarweise darüber und darunter beziehungsweise seitlich an, entsteht zwischen ihnen bei Augenbewegungen – durch die Drehungen des Dipolfeldes – eine Spannung, die innerhalb eines Blickwinkels von 30 Grad etwa proportional der Auslenkung variiert. Die Ableitung bezeichnet man als Elektrooculogramm (EOG).

Solche Messungen werden bereits seit Jahrzehnten in der Augenheilkunde zu diagnostischen Zwecken und in neurologischen Experimenten genutzt, allerdings ohne daß man von der Richtungsinformation Gebrauch gemacht hätte. So beobachteten Nathaniel Kleitman von der Universität Chicago (Illinois) und Eugene Aserinsky vom Jefferson Medical College in Philadelphia (Pennsylvania) an Testpersonen während des Schlafes phasenweise schnelle Augenbewegungen und eine ähnlich intensive Hirntätigkeit wie im Wachzustand. Diese deutlich abgrenzbaren Phasen bezeichneten sie deshalb als REM-Schlaf (nach englisch rapid eye movement).

Ende der achtziger Jahre suchte man durch EOG-Messung auch Wechsel der Blickrichtung zu verfolgen. Bis 1990 berichteten mehrere Forschungsgruppen, daß sich diese Methode experimentell zur Cursor-Steuerung nutzen ließ. Andere zweifelten indes an der praktischen Umsetzbarkeit, denn allmählich fortschreitende Spannungsänderungen an den Elektroden überlagerten sich dem Meßsignal und erschwerten die Auswertung.

Wir adaptierten die Biomuse zur EOG-Messung und setzten Fuzzy Logic ein, um zwischen Augenbewegung und Rauschen zu unterscheiden (vergleiche auch "Neuronale Fuzzy-Systeme" von Rudolf Kruse, Detlef Nauck und Frank Klawoun, Spektrum der Wissenschaft, Juni 1995 sowie "Prinzipien der Fuzzy Logic" von Hans-Jürgen Zimmermann, Spektrum der Wissenschaft, März 1993, Seite 90). Mit diesem System läßt sich ein Computer zuverlässig kontrollieren, zum Beispiel ein Cursor auf dem Monitor positionieren. Es gibt andere Verfahren, die Blickrichtung zu ermitteln, etwa mit Videokameras und Bildverarbeitung; sie sind aber kostspielig und Privatpersonen kaum zugänglich. EOG-Geräte bieten dazu eine allgemeiner praktikable Alternative.

Warner setzte unser System beispielsweise 1991 bei einem Kleinkind ein, das als Baby eine schwere Rückenmarksverletzung erlitten hatte. Es war zu befürchten, daß die Behinderung die von körperlicher Aktivität und damit immer neuen Seherfahrungen doch sehr abhängige Hirnentwicklung beeinträchtigen würde. Ausgestattet mit einem speziellen Kopfband für die Elektroden fand das 18 Monate alte Mädchen schnell heraus, wie es mit seinen Augen ein lachendes Gesicht auf einem Bildschirm hin- und herbewegen konnte; es erfaßte die Bedienung intuitiv, ohne daß jemand die Funktionsweise erklärt hätte.

Andere Institutionen zur Rehabilitation gelähmter Patienten haben ähnliche Ausrüstungen mit einem visuellen Tastaturprogramm versehen, das eine Schreibmaschinentastatur auf einem Monitor abbildet. Nutzer können Buchstaben anwählen, indem sie ihre Augen entsprechend bewegen. Obwohl das Bilden von Wörtern lange dauert, lassen sich mit Übung und unterstützt durch sinnreiche Software ganze Sätze, ja sogar komplette Dokumente durch eine stete Folge von Blicken erstellen.

Dieses Verfahren zum Verfolgen der Blickrichtung funktioniert inzwischen so zuverlässig, daß eine ganze Reihe von Gruppen daran arbeitet, es in anderen Gebieten einzusetzen (Bild 3). So haben wir zusammen mit Ärzten der Universität Stanford (Kalifornien) eine Methode entwickelt, einem Chirurgen das Steuern eines Endoskops während der Operation mit den Augen zu ermöglichen. Seine Hände bleiben dadurch frei für die Arbeit mit den mikrochirurgischen Instrumenten.


Umsetzen gedachter Befehle

Die beschriebenen Systeme zeigen sicherlich eine sinnvolle Richtung künftiger Entwicklung auf, nutzen aber nicht die Gedanken selbst, sondern eine muskuläre Aktivität als Zwischenstufe. Es ist jedoch schon – wenngleich noch auf eher einfachem Niveau – gelungen, Computer durch Hirnstrommessung zu bedienen.

Seit 1924 hatte der in Jena tätige Neurologe und Psychiater Hans Berger (1873 bis 1941) die Elektroenzephalographie (EEG) entwickelt und 1929 diesen Begriff für das Registrieren von Spannungsfluktuationen infolge neuronaler Aktivität mit am Schädel befestigten Elektroden geprägt. Die EEG-Signale stammen von der Großhirnrinde, einer durchschnittlich drei Millimeter dicken, stark gefalteten Schicht aus den Nervenzellkörpern und ihren Dendriten genannten zuleitenden Fortsätzen (darunter liegen die markhaltigen, Erregungen fortleitenden Nervenfasern dieser Neuronen). Die Rinde ist großteils sechslagig aufgebaut; in den Schichten III, IV und V liegen die Zellkörper der sogenannten Pyramidenzellen, die 80 Prozent der Neuronen ausmachen. Man nimmt an, daß sie die Signalquelle sind: Jede dieser Zellen wirkt als elektrischer Dipol, dessen Polarisierung davon abhängt, ob die an der Zelle anliegenden synaptischen Potentiale in der Summe hemmender oder erregender Natur sind. Über Synapsen eintreffende Signale anderer Zellen können die Spannung der Zellmembran so weit verringern, daß sich Ionenkanäle öffnen und ein Aktionspotential ausgelöst wird, das entlang der Nervenfaser zu anderen Neuronen läuft und somit eine Information weiterträgt. Außer solchen erregenden synaptischen Verbindungen gibt es aber auch hemmende, deren Signale das Membranpotential weiter senken und so die Auslösung eines Aktionspotentials erschweren.

Die Schicht dicht gepackter Pyramidenzellen erzeugt ein sich unablässig wandelndes Muster elektrischer Aktivitäten. An der Kopfhaut kann man es abnehmen, freilich abgeschwächt und verschmiert aufgrund der Dämpfung bei der Passage durch den Schädelknochen.

Seit Jahrzehnten sucht man nach einem eindeutigen Zusammenhang zwischen EEG-Signalen und Verhaltensmustern oder Empfindungen. Nach und nach ließen sich auch mit diesem Verfahren höhere Funktionen in bestimmten Regionen lokalisieren, und man kann nun gezieltere Experimente anstellen, indem man Elektroden über der jeweils interessierenden aufsetzt. Was die Computersteuerung angeht, sucht man spezifische EEG-Signaltypen zu definieren, die sich willentlich beeinflussen lassen. Das ist allerdings kein leichtes Unterfangen. Eine gebräuchliche Strategie ist, viele Signale aufzunehmen und unerwünschte Komponenten herauszufiltern.

Hirnwellen werden nach ihrer Frequenz und Amplitude kategorisiert. Fünf Typen sind von besonderem Interesse:

- Alpha-Wellen mit Frequenzen zwischen 8 und 13 Hertz (Schwingungen pro Sekunde) sind charakteristisch für entspanntes Bewußtsein und können zum Beispiel allein durch Schließen der Augen hervorgebracht werden. Sie haben gewöhnlich große Amplituden, schwächen sich aber ab, wenn die untersuchte Person Lichtreizen ausgesetzt ist, sich ein lebhaftes Geschehen vorstellt oder ganz allgemein versucht, sich zu konzentrieren.

- Beta-Wellen, die typischerweise Frequenzen zwischen 14 und 30 Hertz haben, kennzeichnen einen wachen Geisteszustand und können bei intensiver geistiger Tätigkeit bis zu 50 Hertz erreichen.

- Theta-Wellen zwischen vier und sieben Hertz begleiten emotionalen Stress, speziell Frustration und Enttäuschung.

- Delta-Wellen mit Frequenzen unter 3,5 Hertz treten in Tiefschlafphasen auf; und

- My-Wellen werden, da sie bei Bewegungen oder auch nur dem Vorhaben einer Bewegung schwächer werden, motorischen Bereichen des Großhirns zugeordnet.

Die meisten Versuche zur Computersteuerung mittels willentlich modifizierter elektrischer Hirnaktivität stützen sich auf die Aufzeichnung von Alpha- oder My-Wellen, weil man lernen kann, deren Amplituden mental zu beeinflussen, etwa durch Erinnern eines stimulierenden Bildes oder Erhöhen der Aufmerksamkeit. Während der letzten zehn Jahre trainierten Jonathan R. Wolpaw und Dennis J. MacFarland am Wadworth-Gesundheitszentrum in Albany (New York) Versuchspersonen, die Amplitude ihrer My-Wellen allein durch das Vorstellen motorischer Aktivitäten wie Lächeln, Kauen oder Schlucken zu variieren, bis sie auf diese Weise einen Bildschirm-Cursor steuern konnten.

Wir konfigurierten 1987 eine Biomuse als EEG-Monitor zur Ansteuerung eines Synthesizers (Bild 3). Das System reagierte wie ein Schalter auf starke Zunahmen der Alpha-Aktivität bei Entspannung. Die können auch Personen mit schweren körperlichen Schäden willentlich herbeiführen. So entwickelten wir ein dazu vergleichbares System für einen brasilianischen Patienten, der durch eine fortgeschrittene amyotrophische Lateralsklerose gelähmt ist. Zum Schreiben benutzt er unseren Alpha-Wellen-Schalter und einen Personal Computer, auf dessen Monitor ein Keyboard simuliert wurde. Auch nur einen einzelnen Buchstaben auszuwählen ist zwar ziemlich mühsam, da nur Ja-Nein-Entscheidungen möglich und bis zu sechs Schritte erforderlich sind; aber der extrem Behinderte kann sich nun wieder seiner Umwelt mitteilen.

Das EEG wird in der Hirnforschung oft so verwendet, daß man es vor und während eines nur Sekundenbruchteile dauernden, abrupt auftretenden Reizes – eines Geräuschs oder eines Lichtblitzes – aufzeichnet. Subtrahiert man die Signale voneinander, erhält man das allein durch den Reiz evozierte Potential (EP). Auch dieses Verfahren sucht man zur Computerkontrolle zu nutzen.

So hat Erich E. Sutter vom Smith-Kettlewell-Augenforschungsinstitut in San Francisco (Kalifornien) eine Methode entwickelt, mit der körperlich Behinderte aus einem Menü Worte oder Sätze auswählen können, die auf dem Monitor in blinkenden Rechtecken stehen (Bild 1). Wenn die Person ein oder zwei Sekunden lang auf ein bestimmtes Rechteck starrt, übermitteln am Kopf angebrachte Elektroden ihre Wahl dem Computer; das entsprechende Wort erscheint dann in einer Zeile unter dem Menü.

Grant McMillan und sein Team am Laboratorium für Alternative Kontrolltechnologie vom Wright-Patterson-Luftwaffenstützpunkt in Dayton (Ohio) haben ebenfalls mit EP-Signalen experimentiert. Sie hoffen, Militärpiloten zu lehren, deren Amplitude willkürlich zu beeinflussen, damit sie eine wenn auch grobe Art zusätzlicher Kontrollmöglichkeit haben, die die Piloten auch dann nutzen können, wenn ihre Hände und Füße bei schwierigen Flugmanövern beschäftigt sind.

Obwohl mentale Prozesse des Menschen mit immenser elektrischer Hirnaktivität einhergehen, lassen sich bislang nur wenige Muster unterscheiden. So spezifische Gedanken wie das Aufrufen eines gewissen Wortes oder Buchstabens sind jedenfalls aus den Hirnwellen noch nicht abzulesen. Andererseits ist manches von leistungsfähigerer Hard- und Software zu erwarten; und vielleicht lassen sich aus der Vielfalt an Hirnwellen welche herausfiltern, die leichter in Steuerimpulse umzusetzen sind als die bislang erprobten. Deshalb kann man die Aussichten für eine Computerkontrolle mit Hilfe von Nervensignalen erst schwer einschätzen. Ob allerdings eines fernen Tages Vertreter einer fremden Rasse in den Relikten unserer Zivilisation auf einen noch intakten Rechner stoßen werden, der ihnen per Gedankenübermittlung Kunde von der Menschheit geben wird, das ist eine andere Geschichte.

Literaturhinweise

- An EEG-Based Brain-Computer Interface for Cursor Control. Von J. R. Wolpaw, D. J. McFarland, G. W. Neat und C. A. Forneris in: Electroencephalography and Clinical Neurophysiology, Band 78, Heft 3, Seiten 252 bis 259, März 1991.

– Biocontrollers for the Physically Disabled: A Direct Link from Nervous System to Computer. Von R. Benjamin Knapp und Hugh S. Lusted in: Virtual Reality and Persons with Disabilities: Proceedings. Herausgegeben von H. J. Murphy. California State University, 1992.

– Communication Technology for Disabled Persons. Von Erich E. Sutter in: Handbook of Amyotrophic Lateral Sclerosis. Herausgegeben von Richard Alan Smith. Marcel Dekker, 1992.

– Medical Instrumentation, Application and Design. Herausgegeben von John G. Webster. Houghton Mifflin, 1992.

– Gehirn und Nervensystem. Spektrum der Wissenschaft: Verständliche Forschung, 1985.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 12 / 1996, Seite 72
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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