Die Buchstabenkombination BCI ist durchaus geeignet, technologiekritische Zeitgenossen frösteln zu lassen; andererseits eröffnet sie Schwerstbehinderten oft die einzige Möglichkeit, mit ihrer Umwelt zu kommunizieren. Die Rede ist von Brain Computer Interfaces: künstlichen Schnittstellen zwischen menschlichem Hirn und Elektronenrechner. Inzwischen sind sowohl im Cortex implantierte Elektroden als auch nichtinvasive Methoden wie die Auswertung von Elektroenzephalogrammen (EEGs) erfolgreich klinisch erprobt worden.

Als Dolmetscher zwischen der inneren Welt zerebraler Aktivität und unserer Umgebung dienen normalerweise Organe wie Mund, Hand und Auge, aber auch die Muskelgruppen im Gesicht. Wird durch eine Krankheit die Befehlsverbindung vom Hirn zu dieser Peripherie gekappt, wird der Kranke zum bloßen Zuschauer unserer Welt – ohne jede Möglichkeit sich mitzuteilen; die kognitiven Fähigkeiten bleiben dabei oft lange Zeit intakt. Dieses grausame Schicksal bezeichnet man als "locked-in-Syndrom". Verursacht werden kann es von Nerven- und Muskelerkrankungen wie der amyotrophen Lateralsklerose (ALS), einem Hirnstamminfarkt oder dem Guillain-Barré-Syndrom, einer Nervenwurzelentzündung, die oft im Zusammenhang mit AIDS-Erkrankungen auftritt.

Vor einem Jahr ist es einem Neurologenteam an der Emory-Universität in Atlanta (Georgia) erstmals gelungen, mittels implantierter Elektroden eine langzeitstabile direkte Verbindung zum menschlischen Gehirn herzustellen (Neuroreport, Bd. 9, S. 1707). Die Patientin litt seit zweieinhalb Jahren an ALS und war zuletzt wegen zunehmenden Muskelschwundes nicht mehr in der Lage, ihren Computer mit Sprachausgabefunktionen zu bedienen. Zum Zeitpunkt des Versuches konnte sie lediglich durch geringfügige Augenbewegungen "Ja" und "Nein" signalisieren. Den Wissenschaftlern unter Leitung von Roy A. Bakay genügte das, um mit Hilfe von Buchstabentafeln festzustellen, daß ihre Wahrnehmungsfähigkeiten intakt waren.

Schwieriger gestaltete es sich herauszufinden, wo die Elektroden plaziert werden mußten, um ein geeignetes Signal zu liefern. Normalerweise wählt man eine Region im motorischen Cortex, in welcher der Befehl für eine bestimmte Muskelbewegung gegeben wird. Um die richtige Stelle zu finden, reizt man bestimmte Punkte mit schwachen elektrischen Strompulsen und beobachtet, welcher Muskel sich dadurch kontrahiert.

Wegen der fast vollständigen Lähmung der Patientin kam das nicht in Frage. Statt dessen ermittelten die amerikanischen Neurologen mit einem funktionalen bildgebenden Magnetresonanzverfahren (fMRI), welcher Cortexbereich bei einer vorgestellten Bewegung der linken Hand besonders stark durchblutet und demnach aktiviert wurde. An der so ermittelten Stelle im rechten motorischen Cortex implantierten sie schließlich zwei kleine Elektroden im Abstand von einem Zentimeter.

Diese bestanden aus etwa 1,5 Millimeter langen, hohlen Glaskegeln, in deren Innerem mit Teflon isolierte Golddrähte von zwei Mikrometer Dicke verliefen. Außerdem waren sie mit einer neurotrophen Substanz beschichtet, die das Wachstum der Neuriten, der langgestreckten Ausläufer einer Nervenzelle, anregt. Dadurch wuchsen die Hirnzellen im Laufe einiger Wochen in den Glaszylinder hinein und dockten dort an die Golddrähte an.

Die Elektroden waren nicht über Drähte mit der Außenwelt verbunden, sondern enthielten Vorrichtungen zum Verstärken und Senden der Signale. Die benötigte elektrische Energie wird mit Induktionsspulen von außen übertragen. Um das System in Betrieb zu nehmen, muß der Arzt oder Betreuer einfach eine externe Senderspule an die Empfängerspule annähern.

Etwa zwei Monate nach der Operation stabilisierten sich die empfangenen Signale. Die Patientin mußte nun lernen, ihre Nervenimpulse bewußt zu steuern. Ein Computer lieferte dabei optisches und akustisches Feedback. Auf diese Weise gelang es der Patientin, relativ schnell und mit hoher Zuverlässigkeit einen "Schalter" mit den Zuständen "An" und "Aus" zu bedienen. Allerdings starb sie knapp drei Monate nach dem Eingriff an Lungenentzündung und Nierenversagen.


Cursersteuerung mit Hirnelektroden



Die zweite Versuchsperson ist nun ein 57jähriger Mann, der durch einen Schlaganfall fast völlig gelähmt ist. Er trainiert mit ähnlichen Methoden, die Signale beider Elektroden unabhängig voneinander zu beherrschen und in die Bewegungen eines Cursors auf dem Computerbildschirm umzusetzen. Eine Elektrode dient dabei zur Auswahl von "oben" oder "unten", die andere für "links" oder "rechts". Mit einem dritten Signal, das dem Drücken der Eingabe-Taste entspräche, wä-re es laut Bakay grundsätzlich möglich, einen üblichen Computer mit graphischer Benutzeroberfläche zu bedienen.

In einer Weiterentwicklung, die allerdings noch in der Zukunft liegt, könnten über den Umweg Elektrodensystem und Computer die Ausgangssignale des motorischen Cortex in Eingangssignale für bereits existierende Systeme zur Bewegung der Gliedmaßen von teilweise gelähmten Menschen umgewandelt oder sogar direkt in den Muskel eingespeist werden.

Einen Ansatz, der ohne Hirnchirurgie und alle damit verbundenen Risiken auskommt, verfolgt die Arbeitsgruppe von Niels Birbaumer an der Universität Tübingen. Gemeinsam mit Forschern der Universität von Alabama in Birmingham stellte sie Anfang dieses Jahres ein System vor, das bestimmte Anteile der Hirnwellen mittels modifizierter Elektroenzephalographen registriert und über ein Rückkopplungssystem die Patienten dazu bringt, diese willentlich zu beeinflussen (Experimental Brain Research, Bd. 124, S. 223; Nature, Bd. 398, S. 297). "Wir haben Patienten, die vorher überhaupt nicht mehr kommunizieren konnten, dazu gebracht, Nachrichten zu schreiben", erklärt Edward Taub von der Universität von Alabama.

Die Forscher befestigen zwei etwa pfenniggroße Elektroden über dem motorischen Cortex am Kopf des Patienten und registrieren damit die langsamen cortikalen Potentiale der Region. Diese Signale lassen sich zuverlässiger messen als zum Beispiel Alphawellen, die nicht immer im Elektroenzephalogramm (EEG) auftreten. Daß Gesunde – meist in Verbindung mit motorischen Aktivitäten – ihr Gehirnstrommuster willentlich beeinflussen können, gilt inzwischen als gesichert. Die Neurologen aus Tübingen und Birmingham konnten jedoch zeigen, daß auch fast vollständig gelähmte Menschen fähig sind, die langsamen cortikalen Potentiale unter die Kontrolle des Bewußtseins zu bringen.

Sie konstruierten dazu ein Rückkopplungssystem, das die Auf- und Abwärtsbewegung eines Cursors auf dem Computermonitor mit zwei unterschiedlichen akustischen Signalen verbindet; die Kombination von optischen und akustischen Reizen verstärkt den Trainingseffekt. Die Versuchspersonen, drei ASL-Patienten und eine Kontrollgruppe aus 13 Gesunden, hatten die Aufgabe, den Curser innerhalb von zwei Sekunden entweder in ein "Tor" oben oder unten auf dem Bildschirm zu bewegen oder ihn in der Mitte zu halten. Mit zunehmendem Erfolg wurde die Potentialschwelle für die Curserbewegung heraufgesetzt.

Auf diese Weise konnten die Patienten schließlich regelrechte Nachrichten schreiben. Sie wählten zuerst diejenige Hälfte des Alphabets aus, die den gewünschten Buchstaben enthielt. Diese Hälfte wurde dann erneut geteilt und so weiter, bis nur noch der gewünschte Buchstabe übrigblieb. Um aus einem Alphabet von insgesamt 32 Buchstaben und Satzzeichen ein Zeichen auszuwählen, brauchten die Patienten im Schnitt 80 Sekunden, für einen kurzen Satz etwa eine halbe Stunde.

In dieser geringen Kommunikationsgeschwindigkeit liegt der größte Nachteil des Verfahrens. Mit chirurgisch "verdrahteten" Neuronen sind weitaus schnellere Mitteilungen möglich. Durch optimierte Auswahlzeit pro Buchstaben und durch Software, die Worte erkennt, bevor sie vollständig geschrieben sind, hoffen die Tübinger das "Gedankenübersetzungsgerät", wie sie ihr System getauft haben, beschleunigen zu können. Dann böte es vielen auf sich selbst reduzierten "locked-in"-Patienten Aussichten auf ein Mindestmaß an Kommunikation – auch ohne an Science-Fiction-(Alp)Träume gemahnende Elektroden im Gehirn


Aus: Spektrum der Wissenschaft 8 / 1999, Seite 15
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