Die Forschung im Bereich der neuronalen Schnittstellen (engl. Brain-Computer-Interface, BCI) erlebt derzeit einen Aufschwung. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Entwicklung von Technologien, die es Querschnittsgelähmten ermöglichen sollen, verlorene Funktionen wiederzuerlangen. Dieser Artikel beleuchtet aktuelle Forschungsansätze, insbesondere den Einsatz von Gehirnchips und tiefer Hirnstimulation, und diskutiert die damit verbundenen Chancen und Herausforderungen.
Tiefe Hirnstimulation zur Verbesserung der Gehfähigkeit bei inkompletter Querschnittslähmung
Eine Forschungsgruppe in Lausanne hat eine vielversprechende Entdeckung gemacht: Die Stimulation einer bestimmten Region im Gehirn, des lateralen Hypothalamus, könnte inkomplett Querschnittsgelähmten helfen, wieder besser gehen zu können. Bei einer inkompletten Querschnittslähmung sind die Nervenbahnen im Rückenmark nur teilweise beschädigt, was beispielsweise durch einen Unfall oder eine Erkrankung des Rückenmarks verursacht werden kann. Die Folgen können Gefühlsstörungen, Blasenfunktionsprobleme und Lähmungen sein.
Die Forschenden um Neurochirurg Newton Cho von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne implantierten in einer Operation Elektroden in den lateralen Hypothalamus von zwei inkomplett querschnittsgelähmten Probanden und stimulierten diese Region elektrisch. Dieses Verfahren, die tiefe Hirnstimulation (THS), wird bereits bei anderen neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen eingesetzt. Zusätzlich absolvierten die Probanden ein dreimonatiges Rehabilitationsprogramm.
Die Ergebnisse der Studie waren vielversprechend: Im sogenannten Sechs-Minuten-Test, bei dem die in dieser Zeit auf einem standardisierten Parcours zurückgelegte Strecke gemessen wurde, verbesserte sich die Gehfähigkeit der Teilnehmer deutlich. Ein Teilnehmer verlängerte die Strecke von etwa 26 auf 32 Meter, der andere von 40 auf 81 Meter. Schwerwiegende Nebenwirkungen traten bei beiden Probanden nicht auf.
Die Forschenden hatten zuvor Mausgehirne zu unterschiedlichen Zeitpunkten nach einer inkompletten Querschnittverletzung untersucht und einen Gehirnatlas erstellt. Dabei identifizierten sie bestimmte Nervenzellen im lateralen Hypothalamus als Schlüsselregion für die Regeneration. Die Anregung dieser Nervenzellen bei inkomplett querschnittsgelähmten Mäusen und Ratten mittels THS führte zu einer Verbesserung der Lauffähigkeit der Tiere.
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Obwohl die Ergebnisse vielversprechend sind, betonen Experten wie Rainer Abel, Chefarzt der Klinik für Orthopädie und Querschnittgelähmte am Klinikum Bayreuth, dass es noch zu früh sei, um endgültige Aussagen über den potenziellen Nutzen für Patienten treffen zu können. Er bezeichnet das Verfahren als "recht invasiv" und mahnt eine sorgfältige Nutzen-Risiko-Abwägung an. Norbert Weidner, ärztlicher Direktor der Klinik für Paraplegiologie - Querschnittzentrum am Universitätsklinikum Heidelberg, äußerte zudem Kritik am Vorgehen der Forschenden in Lausanne, die Ergebnisse vor Abschluss der Studie veröffentlicht zu haben.
Gehirnchips: Direkte Steuerung von Geräten durch Gedanken
Ein weiterer vielversprechender Ansatz zur Verbesserung der Lebensqualität von Querschnittsgelähmten ist die Entwicklung von Gehirnchips, die es ermöglichen, Geräte direkt über Gehirnströme zu steuern. Kürzlich wurde einem gelähmten Mann ein Chip ins Gehirn implantiert, der es ihm ermöglicht, Smartphones und Computer zu bedienen.
Die US-amerikanische Firma Neuralink des Unternehmers Elon Musk erregte Anfang des Jahres Aufsehen mit der Meldung, erstmals einem Menschen einen Chip ins Gehirn implantiert zu haben. Allerdings wird mit Gehirnimplantaten bereits seit 2002 experimentiert.
An der Universitätsklinik von Lausanne wurde bereits im letzten Jahr ein Gehirnchip implantiert, der einem Querschnittsgelähmten zumindest ansatzweise wieder Gehen ermöglicht. Dieser Chip überträgt Hirnsignale an einen weiteren Chip, der unterhalb der Verletzung am Rückenmark sitzt. Darüber gelangen Gehirnimpulse wieder an die Beinmuskeln. So kann der Niederländer Gert-Jan Oskam wieder Schritte machen, auch wenn dies noch weit von einem normalen Gehen entfernt ist.
Für den Neurologen Volker Hömberg ist dieser Einzelfall dennoch ein Meilenstein: "Das ist ein gigantischer Fortschritt, weil man die Rückenmarkssteuerung mit einem komplett implantierten System hat, keine Kabel mehr außen." Er weist jedoch auch auf die Risiken wie Infektionen oder Blutungen durch die Implantation hin.
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Exoskelette: Unterstützung für gelähmte Gliedmaßen
Eine weitere Möglichkeit, gelähmten Menschen zu mehr Mobilität zu verhelfen, sind Exoskelette. Diese Geräte liegen außen an den gelähmten Gliedmaßen an und versetzen sie über Motoren in Bewegung. Solche Geräte sind in manchen Fällen schon alltagstauglich und haben zunehmende Bedeutung in der neurologischen Rehabilitation. Denn es ist ein physiotherapeutisches Grundprinzip, bei Lähmungen die natürlichen Bewegungen nachzuahmen. So können Menschen zum Beispiel nach einem Schlaganfall verloren gegangene Fähigkeiten wieder zurückerlangen.
Einfache Exoskelette sind von außen gesteuert, zum Beispiel löst ein Knopfdruck einen Schritt aus. Der nächste Schritt ist, die Prothese über Hirnaktivität, sprich Gedanken, zu steuern. An der Berliner Charité erforscht Surjo Soekadar die Steuerung von Exoskeletten über Gehirnimpulse, die von außen durch die Schädeldecke abgeleitet werden.
Deutsche Ärzte erzielen Meilenstein: Roboterarm-Steuerung durch Gedanken
Ein Team des Universitätsklinikums der Technischen Universität München (TUM) hat einem vom Hals abwärts gelähmten Mann eine Hirn-Computer-Schnittstelle eingesetzt. Der fünfstündige Eingriff war der erste seiner Art in Europa. Das Gerät ermöglicht Forschung, die Betroffenen in Zukunft mehr Teilhabe, Unabhängigkeit und Lebensqualität eröffnen könnte.
Michael Mehringer, der seit einem Motorradunfall im Alter von 16 Jahren vom Hals abwärts querschnittsgelähmt ist, erhielt in einer rund fünfstündigen Operation eine Hirn-Computer-Schnittstelle. Bernhard Meyer, Direktor der Neurochirurgie am TUM Klinikum, erklärt: "Die größte Herausforderung bestand darin, die Elektroden extrem präzise zu implantieren. Nur so erhalten wir exakte Ableitungen und können Hirnsignale sauber messen."
Das Ziel ist, dass Mehringer allein durch seine Gedanken künftig sein Smartphone bedienen und langfristig sogar einen Roboterarm steuern kann. Die Hirn-Computer-Schnittstelle verfügt über 256 Elektroden, die winzige elektrische Impulse der Nervenzellen erfassen und an einen Chip weiterleiten. Eine Künstliche Intelligenz wertet die eingehenden Muster aus und lernt mit der Zeit, die Gedanken oder Bewegungsabsichten des Patienten zu erkennen.
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Simon Jacob, Spezialist für Translationale Neurotechnologie am TUM Klinikum, betont die Bedeutung der Implantation: "Seit Jahrzehnten gab es keine grundlegenden Fortschritte für Menschen mit dieser Art von Erkrankung. Die Belastung ist enorm, und gleichzeitig haben wir bisher so wenig anbieten können."
Mehringer kommt zweimal die Woche ins TUM Klinikum zum Training. Erste Erfolge sind schon sichtbar: Wenn er auf einem Bildschirm die Bewegungen eines Cursors beobachtet und in Gedanken nachahmt, können die Forschenden aus den neuronalen Daten ablesen, welche Bewegungen er sich vorstellt.
Neuralink: Klinische Studie zur Erforschung von BCI bei ALS
Das US-Technologieunternehmen Neuralink hat am 19. September 2023 den Beginn einer klinischen Studie zur Erforschung von BCI bei der Amyotrophen Lateralsklerose (ALS) mitgeteilt. Die amerikanische Aufsichtsbehörde FDA hat die Studie genehmigt.
In einem robotergestützten neurochirurgischen Eingriff wird ein Implantat an der Hirnoberfläche in der Nähe des motorischen Kortex positioniert. Über dieses Implantat werden geringe Hirnströme erfasst, die bei der Willensbildung einer Bewegung entstehen. Diese elektrischen Signale werden durch den implantierten Chip verarbeitet und in die Steuerung eines Gangassistenzsystems umgesetzt.
In der Neuralink-Studie bei der ALS wird die operative und technische Machbarkeit sowie Verträglichkeit der Methode untersucht. Außerdem sollen erste Erfahrungen gesammelt werden, inwieweit die Verbesserung von motorischen Funktionen durch die Implantation des Chips und die Kopplung mit dem Gangassistenzsystem erreicht werden kann.
Aufgrund des experimentellen Charakters der Studie ist gegenwärtig noch keine direkte Versorgung von ALS-Patienten mit dem Neuralink-System möglich. Trotz dieser Einschränkung ist die Studie als wichtiger wissenschaftlicher Meilenstein zu betrachten.
Ethische Herausforderungen
Neben den technologischen Fortschritten werfen Hirn-Computer-Schnittstellen auch ethische Fragen auf. Marcello Ienca, Professor für die Ethik von KI und Neurowissenschaften an der TUM, beschäftigt sich intensiv mit diesen Fragen und steht in engem Austausch mit den Forschungsteams. Er hat unter anderem in Expertengremien von OECD und UNESCO zu diesem Thema mitgearbeitet und ist designierter Vorsitzender der Internationalen Gesellschaft für Neuroethik.
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