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Mittwoch, 29.03.2017
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Gelähmte steuert Roboterarm mit ihren Gedanken

Ins Gehirn eingepflanzte Elektroden übertragen Nervensignale an die Maschine

Fast 15 Jahre war sie durch einen Hirnschlag vom Kopf abwärts gelähmt - jetzt konnte eine 58-jährige US-Amerikanerin zum ersten Mal wieder alleine Kaffee trinken: Sie führte den Becher mit einem Roboterarm zum Mund, den sie mit ihren Gedanken steuerte. Eine kleine, in ihr Gehirn eingepflanzte Elektrode übertrug die dafür nötigen Nervensignale an das Kontrollprogramm des Roboterarms. "Damit sind wir unserem Ziel einen entscheidenden Schritt näher gekommen, eine Technologie zu schaffen, die gelähmten Menschen ihre Bewegungsfähigkeit und Unabhängigkeit zurückbringt", sagt John Donoghue von der Brown University, einer der beiden Leiter des Projekts, über das die Forscher jetzt im Fachmagazin "Nature" berichten.
Die seit fast 15 Jahren gelähmte Patientin steuert den Roboterarm durch ihre Gedanken

Die seit fast 15 Jahren gelähmte Patientin steuert den Roboterarm durch ihre Gedanken

Im Rahmen der Studie lernte auch ein zweiter Patient, ebenfalls seit mehreren Jahren an Armen und Beinen gelähmt, innerhalb von nur einem Tag, einen weiteren Roboterarm zu kontrollieren. Er beherrschte den Arm anschließend so gut, dass er mit ihm Schaumstoffbälle gezielt greifen und aufheben konnte. Auch diesem Patienten war zuvor ein kleines Elektrodenplättchen in den Bereich des Gehirns implantiert worden, der die Bewegungen der Arme steuert.

Dass selbst vollständig Gelähmte durch solche Elektroden einen Computercursor kontrollieren können, ist bekannt. Affen haben auch schon erste Versuche mit Roboterarmen durchgeführt. Unklar blieb aber bis jetzt, ob die Nervensignale im Gehirn von langjährig Gelähmten noch ausreichen, um damit die komplexen Bewegungen eines robotischen Arms steuern zu können. Die Studie der Forschergruppe, zu der auch Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Köln (DLR) gehörten, belegt dies nun.

Danach gefragt, wie sich die Steuerung des Roboterarms für sie anfühlt, sagte die Patientin: "Es ist komfortabel und fühlt sich ganz natürlich an, mir vorzustellen, dass sich meine rechte Hand in die Richtung bewegt, in die ich den Roboterarm steuern möchte." Patrick van der Smagt vom DLR, Leiter des robotischen Teils der Studie, kommentiert: "Das ist genau das, was wir gehofft haben: Wir wollten einen Arm konstruieren, der intuitiv kontrolliert werden kann."


Der am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelte Roboterarm

Der am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelte Roboterarm

Einmal pro Woche Training am Computer


Als Schnittstelle zwischen den beiden Patienten und ihren Roboterarmen diente ein jeweils nur vier mal vier Millimeter großes Plättchen mit rund 100 Mikroelektroden darauf. Dieses Plättchen hatten die Forscher bereits längere Zeit vorher genau an die Stelle des Großhirns eingepflanzt, die normalerweise die Bewegungen der Arme steuert. Einmal pro Woche trainierten die Patienten anschließend, die Bewegungen eines Cursors auf einem Computermonitor allein über ihre Gedanken zu steuern. Eine spezielle Software lernte dabei, die Muster der elektrischen Nervensignale in die jeweils gedachten Bewegungen zu übersetzen.

Nach dem gleichen Prinzip lernten die beiden Gelähmten nun, auch ihren Roboterarm zu steuern. Wenn sich die Patientin vorstellte, die Hand nach dem Kaffeebecher auszustrecken und ihn zu greifen, sendete ihr Gehirn entsprechende Nervensignale aus. Die Software im Steuercomputer des Roboterarms löst die passende Bewegung aus: Der Arm griff nach dem Becher und führte den Strohhalm zum Mund der Patientin - gesteuert zum ersten Mal nach 15 Jahren Lähmung von ihr selbst. "Das war für alle Beteiligten ein großer emotionaler Moment" erinnert sich van der Smagt.

Technik noch zu aufwändig für breiten Einsatz


Noch ist die Technologie weit davon entfernt, routinemäßig bei jedem Gelähmten eingesetzt werden zu können. Denn bisher muss ein Techniker vor jeder Sitzung mit dem Roboterarm einen aufwändigen, rund eine halbe Stunde dauernden Kalibrierungsprozess durchführen. Und auch der Arm bewegte sich noch langsamer und ungenauer, als es ein biologischer Arm tun würde.

Dennoch werten die Forscher ihre Ergebnisse als einen ersten wichtigen Schritt hin zu solchen robotischen Hilfsmitteln. Die Studie zeige, dass die Elektroden bei der Patientin auch fünf Jahre nach deren Implantation ins Gehirn noch zuverlässig funktionierten. "Das belegt, dass es grundsätzlich möglich ist, solche langfristigen Schnittstellen in der Großhirnrinde zu schaffen", meinen die Forscher.

Jetzt müsse man weiter versuchen, diese Verbindung von Mensch und Maschine zu optimieren. "Aber selbst die einfachen Greifbewegungen, die wir jetzt demonstriert haben, können für Gelähmte schon eine neue Freiheit bedeuten und ihnen die Fähigkeit verleihen, wieder selbst essen und trinken zu können", schließen die Wissenschaftler. (doi:10.1038/nature11076)
(Nature, DKR, Braingate, 18.05.2012 - NPO)
 
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