Gedanken steuern künstlichen Arm

News: Gedanken steuern künstlichen Arm

Im Vergleich zu anderen Organen ist die Funktionsweise unseres Gehirns noch weitgehend ein Buch mit sieben Siegeln. Aber die Forschung auf diesem Gebiet hat in den letzten Jahren auch durchaus Erfolge verzeichnen können. Wissenschaftler benutzten die Hirnströme von Tieren beispielsweise schon dafür, technische Vorrichtung rein durch Gedankenkraft ein und auszuschalten. Nun haben amerikanische Forscher die Gehirnaktivität von Affen analysiert und rekonstruiert, wie die Tiere einen Arm bewegen - selbst wenn dieser künstlich ist und 1 000 Kilometer weit entfernt steht.

Vor etwas mehr als einem Jahr hat John Chapin vom Health Science Center der State University of New York ein Experiment veröffentlicht, in dem sich Ratten allein mittels ihrer neuronalen Aktivität – also ihrer Gedanken – Wasser bestellen konnten. Dazu trainierte der Forscher die Ratten in einem Vorversuch so, dass sie nur einen Hebel bewegen mussten, um als Belohnung die Erfrischung zu erhalten. Die Gehirnaktivität der Ratten zeichnete er mit Hilfe von Elektroden auf. Der Wissenschaftler analysierte, welche Nervenzellen für die Bewegung verantwortlich sind, und schloss anschließend den Wasserspender über eine geeignete Schnittstelle an die entsprechenden Neuronen an. Die Ratten merkten recht bald, dass sie dann nicht mehr tatsächlich den Hebel drücken mussten, um an das Wasser zu kommen.

In einem neuen Experiment haben Miguel Nicolelis und seine Kollegen vom Duke University Medical Center Nachtaffen (Aotus trivirgatus) 96 Elektroden in verschiedenen Regionen der Hirnrinde implantiert und die Aktivität der Nervenzellen aufgezeichnet. Jeder einzelne hauchfeinen Draht war dünner als ein menschliches Haar und verblieb bis zu zwei Jahren im Hirn der Tiere, ohne dass seine Funktion über diesen langen Zeitraum nachgelassen hätte. Während die Affen kleinere Aufgaben bewältigen mussten, wie beispielsweise nach Nahrung zu greifen, analysierte ein Computer die empfangenen neuralen Signale. Die Forscher verwendeten einfache mathematische Modelle, um die Handbewegungen der Affen vorherzusagen. Nicolelis stellte dabei fest, dass sich die Hirnaktivität bei der Bewegung auf alle Regionen des Cortex gleichzeitig ausdehnt, die Nervenzellen agieren folglich als Gesamtheit (Nature vom 16. November 2000).

Nachdem das System die Bewegung der Hand zuverlässig aus den Gedankenmustern voraussagte, erlaubten die Wissenschaftler dem Tier, einen Roboterarm in allen drei Dimensionen zu steuern. Sie testeten dabei auch, ob sie das Signal über das Internet zu einem anderen Roboterarm schicken können. Dieser steht im Laboratory for Human and Machine Haptics, knapp 1 000 Kilometer entfernt. Tatsächlich funktionierte die Übertragung, und der Affe bewegte den "verlängerten" Arm fast wie seinen eigenen.

Nach Angabe der Wissenschaftler könnte ihr System zur Aufnahme und Analyse der neuronalen Daten die Basis einer künftigen Schnittstelle zwischen Gehirn und Maschine bilden. So wäre es in Zukunft eventuell möglich, dass gelähmte Patienten eine Prothese nur mit ihren Gedanken steuern. Außerdem eröffnet das System die Möglichkeit, gezielt zu erforschen, wie das Gehirn Informationen verarbeitet.

In weiteren Experimenten möchten die Wissenschaftler die Zahl der Elektroden auf tausend erhöhen. Ein "Neurochip" soll helfen, die Datenflut auszuwerten. Im nächsten Schritt wollen die Forscher aber erst eine Rückkopplung von Signalen implementieren und dem Roboterarm so eine Art Tastsinn verleihen. Das Signal bekommt der Affe dann durch leichten Druck auf seine Haut zu spüren.

Siehe auch

Spektrum Ticker vom 17.1.2000
"Fällt die Hirn-Computer-Schranke? "
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
Spektrum Ticker vom 5.8.1999
"Eine lernfähige künstliche Hand"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
Spektrum Ticker vom 23.6.1999
"Die Kraft der Gedanken"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
Spektrum Ticker vom 18.1.1999
"Die Kraft der Gedanken"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)

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