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Neuroprothetik

Gedanken lenken

Eingesperrt in ihren Körper und unfähig zu jeglicher Bewegung, sind vom Hals abwärts Gelähmte vollkommen abhängig von der Hilfe anderer. Durch Gedanken gesteuerte Neuroprothesen könnten solchen Menschen zu neuen Dimensionen von Selbständigkeit verhelfen.
Greifversuch
Jede Bewegung, und sei es nur das Führen der Gabel zum Mund, erfordert das Zusammenspiel zahlreicher Muskeln. Damit diese auch wirklich koordiniert arbeiten, hören sie alle auf das Kommando der Zentrale: das Gehirn. Es plant jede Bewegung, setzt sie in Gang und steuert sie schließlich auch. Die Kommunikation zwischen Befehlsgeber und -empfänger gewährleisten dabei, ganz ähnlich wie Telefonleitungen, die Nervenbahnen.

Wird diese Verbindung jedoch gekappt, herrscht Funkstille. Zerreißen die Nervenbahnen beispielsweise durch einen Unfall, kann das Gehirn zwar noch theoretisch Bewegungen planen, einleiten und kontrollieren, ebenso sind die Muskeln nach wie vor zu Kontraktionen fähig, nur kommt kein Kommando mehr aus der Zentrale beim Muskel an – der Mensch ist gelähmt, zur Bewegungslosigkeit verdammt.

Beschädigte Telefonleitungen lassen sich reparieren oder ersetzen. Rückenmarksnerven dagegen – einmal unterbrochen – wachsen nicht mehr zusammen. Deswegen suchen Wissenschaftler nach Alternativen, um den Handlungsspielraum gelähmter Menschen zu vergrößern. Dabei stehen Neuroprothesen hoch im Kurs: künstliche Gliedmaßen oder Roboter, die, gesteuert von Nervenimpulsen aus dem Gehirn – quasi von Geistes Hand –, Bewegungen ausführen. Es ist bereits gelungen, Motoneurone anzuzapfen, also Nervenzellen, deren Ursprung in der motorischen Hirnrinde sitzt und die Bewegungen steuern, und mit der daraus abgezogenen Information Roboterarme zu bewegen. Bei diesem Verfahren werden Informationen über den Bewegungsablauf abgelesen und in die Aktion eines Roboters umgesetzt.

Weiter oben in der nervösen Hierarchie setzte jetzt Richard Andersen vom California Institute of Technology in Pasadena mit seiner Arbeitsgruppe an. Ihn interessiert nicht der Bewegungsablauf, sondern die Planung der Handlung, also der Gedanke: "Ich werde jetzt die Gabel zum Mund führen." Schon Mitte der 1990er Jahre hatte seine Arbeitsgruppe den Bereich ausgemacht, der solche Planungen vornimmt: Die parietal reach region in der seitlichen Hirnrinde. Dorthin implantierten sie nun bei drei Rhesusäffchen Elektroden, mit denen sie die Nervenimpulse der Bewegungsplanung abhörten.

Greifversuch
Greifversuch | Die Größe des Dreiecks zeigt an, ob der Affe mit Wasser oder Saft als Belohnung für seine gedankliche Leistung rechnen kann.
Vergleichen Sie hierzu auch die Videos unter "Medien".
Dazu bekamen die Affen eine einfache Greifaufgabe gestellt: Sie saßen vor einem Computerbildschirm, in dessen Mitte ein rotes und ein grünes Zeichen leuchtete. Ein drittes Zeichen blinkte kurz an einer anderen Stelle auf, wobei bis zu acht verschiedene Positionen möglich waren. Nach einer kurzen Erinnerungsphase erlosch der grüne Punkt als Startsignal: Nun musste der Affe zu dem Punkt greifen, an dem zuvor das dritte Zeichen aufgeleuchtet hatte. Dadurch erschien es dort wieder, und die Tiere erhielten Saft als Belohnung. Die Forscher zeichneten dabei die Nervensignale der Planungsregion im Gehirn auf und filterten aus ihnen die geplante Bewegunsrichtung heraus.

In einem zweiten Versuchsteil bekamen die Äffchen die gleiche Aufgabe gestellt, nur dass sie dieses Mal den Arm nicht in Richtung des aufleuchtenden Punktes bewegen durften. Stattdessen las ein Computerprogramm aus den Nervenaktivität die geplante Bewegung ab und ließ am Zielpunkt ein Signal aufleuchten, und die Testäffchen wurden belohnt. Dies gelang nach etwas Training in bis zu 67 Prozent der Sitzungen richtig. Gab es für die gedankliche Leistung unterschiedliche attraktive Belohnungen – Saft oder einfach nur Wasser – und wusste das Testtier zuvor, welche es bekommen würde, steigerte sich die Leistung um weitere zwölf Prozent.

Kognitive Neuroprothese
Kognitive Neuroprothese | Eine kognitive Neuroprothese für gelähmte Patienten: Bei einer Rückenmarksverletzung wird die Kommunikation zwischen Gehirn und Muskel unterbrochen. Das Gehirn ist aber immer noch in der Lage, Bewegungen zu planen. Die Erregung der dabei aktivierten Nervenzellen kann abgehört werden und zur Steuerung von Prothesen verwendet werden.
Nervensignale, welche die Planung einer Bewegung kodieren, können also abgehört und – wie hier für die Steuerung des Cursors – dazu verwendet werden, Prothesen oder Roboter zu dirigieren. Pluspunkt dieses Vorgehens: Der abgehörte Hirnbereich erhält – anders, als wenn die Aktivität von Motoneuronen als Steuersignal verwendet wird – über das Auge Informationen über den Bewegungsablauf. Dadurch entsteht Spielraum für Richtungskorrekturen.

09.07.2004

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 09.07.2004

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