Chip-Implantate im Gehirn: Funktionsweise, Chancen und Risiken

Die Vorstellung von Computerchips, die direkt im Gehirn arbeiten, schien lange Zeit reine Science-Fiction zu sein. Doch in den letzten Jahren rückt diese Vision immer näher an die Realität. Neuartige Hirn-Computer-Schnittstellen (BCIs), bei denen Computerchips in das Gehirn implantiert werden, versprechen, verloren gegangene Funktionen zu ersetzen oder neurologische Erkrankungen zu lindern. Diese Technologie könnte beispielsweise Gelähmten die Möglichkeit geben, sich wieder zu bewegen oder zu kommunizieren, und Sinnesverluste wie Blindheit kompensieren. Trotz erster klinischer Erfolge stehen die Forscher jedoch noch am Anfang dieser Entwicklung.

Funktionsweise von Chip-Implantaten im Gehirn

Brain-Computer-Interfaces (BCIs), auch bekannt als "Gehirnchips" oder Gehirn-Computer-Schnittstellen, sind eine faszinierende Technologie, die eine direkte Kommunikation zwischen dem Gehirn und externen Geräten ermöglicht. Sie basieren auf der Erkenntnis, dass die bloße Vorstellung einer Handlung genügt, um eine messbare Veränderung der elektrischen Aktivität des Gehirns hervorzurufen. BCIs messen die elektrischen Signale des Gehirns und wandeln diese in Steuerbefehle um, um Geräte wie Computer oder Prothesen direkt per Gedanken zu steuern - ohne Tastatur oder Fernbedienung.

Messung der Gehirnsignale

Unser Gehirn verarbeitet Informationen, indem es elektrische Signale entlang der Nervenzellen sendet und empfängt. Diese Signale ermöglichen die Kommunikation zwischen verschiedenen Hirnregionen und steuern sämtliche körperlichen und geistigen Funktionen. Die Messung der elektrischen Hirnsignale kann invasiv oder nicht-invasiv erfolgen.

Nicht-invasive BCIs

Nicht-invasive BCIs messen die elektrische Aktivität des Gehirns ohne direkten Kontakt oder Eingriffe im Gehirn. Ein gängiges Verfahren ist die Elektroenzephalographie (EEG), bei der mittels einer Haube kleine Elektroden auf der Kopfhaut angebracht werden, um elektrische Signale im Gehirn zu erfassen. Diese Signale werden analysiert, um herauszufinden, welche Gehirnregionen aktiv sind und welche Gedanken oder Absichten sie widerspiegeln. Die Magnetoenzephalographie (MEG) ist eine alternative nicht-invasive Methode, die die magnetische Gehirnaktivität aufzeichnet. Nicht-invasive BCIs bieten jedoch nur eine sehr eingeschränkte Genauigkeit, da die Schädeldecke die Signale filtert.

Invasive BCIs

Bei der invasiven Messmethode werden Elektroden durch einen chirurgischen Eingriff direkt ins Gehirn implantiert. Diese Methode ermöglicht präzisere Messungen und Steuerungen, birgt jedoch Risiken wie Infektionen und Gewebeschäden. Es gibt zwei Hauptarten invasiver BCIs:

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• Gehirnchips: Kleine Chips oder Elektrodenarrays, die gezielt in bestimmten Hirnregionen, wie beispielsweise dem motorischen Kortex, platziert werden, um präzise neuronale Signale zu erfassen.
• Stentroden: Eine elektrodenartige Struktur, die in Blutgefäße eingeführt wird, etwa in der Nähe des motorischen Kortex, um die elektrische Aktivität des Gehirns zu messen. Sie werden in die Blutbahn eingeführt und bieten eine minimal-invasive Alternative zur direkten Implantation.

Bevor invasive oder nicht-invasive Messungen genutzt werden können, müssen sie kalibriert, also richtig eingestellt, werden. Der Computer muss lernen, welche Signale welchem Zwecken dienen, und die Patient*innen müssen lernen, wie sie die Geräte steuern.

Funktionsweise im Detail

1. Neuronale Impulse erfassen: Herzstück von BCIs ist ein winziger Chip, der neuronale Impulse erfasst, wie sie etwa bei der Bewegungsplanung und -steuerung entstehen.
2. Signale verarbeiten: Die gemessenen elektrophysiologischen Muster stellen dabei ein Abbild der Gedanken dar. Aus diesen Mustern generiert das Implantat konkrete Befehle, die es an Endgeräte wie beispielsweise Smartphones sendet.
3. Steuerung von Geräten: Das BCI lernt, individuelle Signale zu interpretieren, während derdie Benutzerin seine Hirnaktivität besser kontrolliert. Dieser Prozess kann Wochen oder Monate dauern.

Aktueller Stand der Technik

Bestehende medizinische Hirnimplantate

Bereits seit Jahrzehnten werden einfache Hirnimplantate in der Medizin eingesetzt. Ein Beispiel ist die Tiefe Hirnstimulation (THS) bei Parkinson: Elektroden im Gehirn können durch kontinuierliche Impulse das Zittern und andere Symptome lindern. Ähnliche Stimulations-Implantate werden experimentell auch bei schwerer Depression eingesetzt, wenn Medikamente versagen. Zudem gibt es Neurostimulatoren für Epilepsie, die Anfallsaktivität erkennen und frühzeitig gegensteuern. Auch Sinnesprothesen wie Cochlea-Implantate (für Gehörlose) sind etablierte Neuro-Implantate.

Neueste Entwicklungen - von Forschung zu ersten klinischen Studien

Seit etwa 2016 treibt eine neue Generation von Neurotechnologie-Startups die Entwicklung komplexerer Gehirnchips voran. Im Fokus stehen Brain-Computer Interfaces (BCIs), die Nervenzellen anzapfen und Signale drahtlos an Computer übertragen - und teils umgekehrt. Ein prominentes Beispiel ist Elon Musks Firma Neuralink, die Ende Januar erstmals einem menschlichen Patienten einen kabellosen Hirnchip implantierte.

Führende Projekte und Unternehmen

• Neuralink: Elon Musks Firma Neuralink erhielt 2023 von der US-Arzneimittelbehörde FDA grünes Licht für erste klinische Tests am Menschen. Das nur münzgroße Implantat mit 1.024 feinen Elektroden wurde bei einem querschnittsgelähmten Patienten unter die Schädeldecke eingesetzt. Ziel dieser laufenden klinischen Studie ist es, Tetraplegikern (Gelähmten aller vier Gliedmaßen) zu ermöglichen, allein durch Gedanken elektronische Geräte zu steuern.
• Precision Neuroscience: Die US-Firma Precision Neuroscience entwickelt ein flexibles Implantat, das über einen minimal-invasiven Schnitt in der Schädeldecke eingeführt und wie eine Folie auf der Hirnoberfläche ausgebreitet wird - ebenfalls mit rund 1.000 Elektroden.
• Synchron: Das Startup Synchron aus Australien/USA verfolgt einen noch weniger invasiven Weg: Es platziert seinen Elektroden-Chip mittels Katheter über Blutgefäße im Gehirn, sodass keine offene Schädeloperation nötig ist.
• Clinatec: Das französische Clinatec-Institut stellte 2019 ein Hirnimplantat vor, mit dem Querschnittsgelähmte ein Exoskelett steuern und dadurch Arme und Beine bewegen können.
• INBRAIN Neuroelectronics: Das europäische Startup INBRAIN Neuroelectronics entwickelt einen neuartigen Graphen-basierten Hirnchip. Graphen als Material ist extrem dünn, flexibel und leitfähig - ideal für biokompatible Elektroden.

Erste Erfolge

Erste Erfolge wurden bereits öffentlich demonstriert - so konnte der Patient von Neuralink einige Monate nach Implantation allein mit seinen Gedanken auf einem Laptop Online-Schach spielen, wobei der Mauszeiger mental gesteuert wurde (Live-Demonstration im März 2024).

Anwendungsmöglichkeiten bei neurologischen Erkrankungen

Die primären Ziele dieser Hirnchip-Technologien liegen im medizinischen Bereich.

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• Lähmungen überwinden: Einen großen Hoffnungsträger stellen BCIs für Patienten mit Querschnittlähmung dar. Indem motorische Signale direkt aus dem Hirn ausgelesen werden, können Gelähmte damit z.B. Computer, Rollstühle oder Prothesen steuern.
• Kommunikation und Alltag bei Locked-in-Patienten: Ähnliche Implantate können auch eingesetzt werden, um Kommunikation durch Gedanken zu ermöglichen. Patienten, die bei vollem Bewusstsein aber körperlich fast vollständig gelähmt sind (Locked-in-Syndrom), könnten über ein Gehirnchip-System einen Cursor bewegen, Texte schreiben oder Geräte bedienen, indem das Implantat ihre beabsichtigten Hand- oder Sprachbewegungen erkennt.
• Bewegungsstörungen und neurologische Erkrankungen: Patienten mit Parkinson oder anderen Tremor-Erkrankungen profitieren bereits von implantierten Hirnstimulatoren, die kontinuierlich bestimmte Hirnareale stimulieren und so Zittern und Steifheit reduzieren. Künftige Chips könnten abnormale neuronale Muster erkennen und gezielt Gegenreize in Echtzeit liefern.
• Sinne wiederherstellen: Ein weiteres Feld ist die Kompensation von verlorenen Sinnesfunktionen. Bei Blindheit beispielsweise wird erforscht, ob ein visuelles Implantat die Funktion der beschädigten Sehrinde übernehmen kann. In klinischen Studien konnten vollkommen blinde Probanden durch ein visuelles Cortex-Implantat einfache Lichtmuster und Umrisse wahrnehmen.
• Epilepsie und andere neurologische Leiden: Moderne Systeme können die elektrische Hirnaktivität rund um die Uhr überwachen und vor einem drohenden epileptischen Anfall warnen. Einige Implantate gehen noch weiter und stimulieren das Gehirn unmittelbar, um einen beginnenden Anfall zu unterbrechen.

Technische Herausforderungen

Trotz aller Fortschritte stehen Ingenieure und Neurowissenschaftler vor großen technischen Hürden.

• Biokompatibilität: Ein Chip im empfindlichen Gehirngewebe ist ein Fremdkörper. Der Körper reagiert darauf mit Immunabwehr, Entzündungen oder Narbengewebe-Bildung, die die Elektroden mit der Zeit isolieren können.
• Haltbarkeit und Sicherheit: Ein Implantat muss über viele Jahre zuverlässig arbeiten, ohne zu versagen. Die Verkabelung und Stromversorgung stellen ebenfalls Herausforderungen dar. Jede Operation am Gehirn birgt Risiken; idealerweise sollte ein Chip ein ganzes Patientenleben lang halten, um wiederholte neurochirurgische Eingriffe zu vermeiden.
• Signalverarbeitung und Komplexität des Gehirns: Das menschliche Gehirn ist extrem komplex, mit rund 86 Milliarden Neuronen. Ein Hauptproblem ist, aus den aufgezeichneten Signalen sinnvolle Informationen zu extrahieren. Bisher können Implantate nur kleine Ausschnitte der neuronalen Aktivität abgreifen.
• Chirurgische Verfahren: Die Implantation selbst muss verbessert werden. Neuralinks Team hat z.B. spezielle Robotersysteme entwickelt, um die ultrafeinen Elektroden präzise ins Gehirn zu setzen, da kein menschlicher Chirurg so genau arbeiten kann.

Ethische Aspekte

Neben den technischen Fragen werfen Gehirnchips tiefgreifende ethische und gesellschaftliche Fragen auf. Ein Implantat, das direkt mit dem Gehirn verbunden ist, berührt grundlegende Prinzipien von Autonomie, Identität und Privatheit.

• Gedanken- und Datenhoheit: Die im Hirnchip erfassten neuronalen Daten sind höchst persönlich. Könnten diese Daten ohne Zustimmung ausgelesen oder manipuliert werden, wäre die geistige Privatsphäre bedroht. Datenschutz und IT-Sicherheit sind daher essenzielle Anforderungen.
• Veränderung der Persönlichkeit und des Selbstverständnisses: Hirnimplantate, insbesondere wenn sie Signale zurück ins Gehirn spielen, könnten die Empfindungen oder Entscheidungen einer Person beeinflussen.
• Gleichberechtigung: Nicht alle Menschen, die durch BCIs eine Verbesserung ihrer Lebensqualität erfahren könnten, haben Zugang zu dieser Technologie.

Risiken

Neben allen Chancen, die die Einsatzmöglichkeiten von BCIs aufzeigen, gibt es auch Risiken.

• Biologische Risiken: Invasive Messungen erfordern eine Operation am offenen Gehirn. Dabei können wichtige Bereiche des Gehirns der Patient*innen verletzt werden. Auch im Nachgang zu einer erfolgreichen Operation können sich die betroffenen Stellen noch entzünden und damit erneute Eingriffe notwendig machen.
• Ethische Fragestellungen: Ist es gesellschaftlich wünschenswert, die geistigen Fähigkeiten eines Menschen mit KI zu erweitern? Können Implantate die Persönlichkeit des Menschen verändern? Und wer trägt die Verantwortung für die Anwendung von BCIs und anhand welcher Kriterien sollte der Einsatz von BCIs reguliert werden?
• Datenschutzrechtliche Probleme: Es besteht die Gefahr, dass sensible Gesundheitsdaten ausgelesen und missbraucht werden.
• Haftungsfragen und strafrechtliche Konsequenzen: Informationstechnische Systeme können bei dem Menschen selbst oder bei Dritten Schaden anrichten.

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