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Donnerstag, 25.05.2017
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Gedankenkraft steuert Bewegungen

Ins Gehirn eingepflanzter Sensor verhilft Gelähmtem zu mehr Autonomie

Durch die Implantation eines winzigen Sensors direkt in das Gehirn eines gelähmten Patienten haben Wissenschaftler ihm zu völlig neuer Autonomie verholfen: Der Patient kann, allein durch das Denken an eine Bewegung, einen Cursor auf dem Bildschirm steuern oder mit einem Roboterarm nach Gegenständen greifen. Weitaus effektiver als bisherige, nicht-invasive Systeme, könnte diese direkte Verbindung von Gehirn und Computer Gelähmten zukünftig neue Wege eröffnen, wie die Forscher in der Zeitschrift „Nature“ berichten.
Gehirn

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Der Patient von John Donoghue und seinen Kollegen von der Brown Universität in Providence, USA ist komplett gelähmt, er kann weder Arme noch Beine bewegen und ist vollständig auf die Hilfe anderer angewiesen. Doch jetzt ist einiges von dem, was normalerweise für Gelähmte unerreichbar ist, für ihn wieder möglich: Er öffnet seine E-Mails, bewegt einen Maus-Cursor über den Bildschirm, öffnet und schließt seine Hand und bewegt einen Roboterarm – einfach in dem er denkt. Alle Bewegungen, ob im Computer oder der Prothesen werden direkt durch seine Gedanken gesteuert.

Signale direkt im Gehirn abgegriffen


Möglich wird dies durch ein Aufsehen erregendes neues Verfahren, die so genannte neuromotorische Prothese (NMP). Dabei wird dem Patienten ein Sensor, klein wie ein Druckknopf, direkt in das Gehirn gepflanzt – genauer gesagt in das Hirnareal, das für die Steuerung von Bewegungen verantwortlich ist, den motorischen Cortex. Der Sensor besteht aus 96 winzigen Elektroden, die die elektrischen Impulse der Gehirnaktivität in einem Gebiet abgreifen, das normalerweise Handbewegungen steuert

Obwohl der Patient bereits drei Jahre lang gelähmt ist, blieb die neuronale Aktivität in seinem motorischen Kortex erhalten, wie sich im Rahmen dieser Studie zeigte. Zuvor war unbekannt, ob das Gehirn auch über einen so langen Zeitraum des „Brachliegens“ hinweg, diese Signale überhaupt noch erzeugt. Die von den Sensoren aufgenommenen Nervenimpulse leitet der Sensor weiter an einen außerhalb des Körpers befindlichen Computer. Ein spezielles „Übersetzungsprogramm“ interpretiert diese Signale und wandelt sie in die entsprechenden Bewegungsbefehle um. Diese steuern dann Armprothesen oder den Cursor des Patientencomputers.


Sensor sitzt direkt am „Ort des Geschehens“


Die Studie zeigt, dass das Abgreifen von neuronalen Signalen direkt im Gehirn deutlich effektiver ist als nicht-invasive Verfahren, bei denen Nervenreize nur von außen, über die Kopfhaut registriert werden. Denn die außen anliegenden Sensoren müssen die „richtigen“ Signale“ erst aus dem Wust der registrieren elektrischen Entladungen herausfiltern. Und der Patient muss mühsam trainieren, wie er gezielt ganz bestimmte Nervenreize auslöst, die dann von den außen angebrachten Elektroden der Prothesen auch verstanden werden.

Der Sensor der neuromotorischen Prothese dagegen sitzt direkt in dem Gehirnbereich, in dem die relevanten Reize entstehen. Die für ihn wichtigen Signale werden so nicht von anderen überlagert. Dadurch braucht sich der Patient die gewünschte Bewegung nur vorzustellen, ganz normal, ohne großes Training, und die Sensor-Computer-Verbindung kann daraus die Steuerbefehle für Cursor oder Roboterhand ableiten.
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Nach Ansicht der Wissenschaftler könnte dies für Menschen mit Lähmungen an allen vier Extremitäten einen großen Zuwachs an Lebensqualität bringen. Weitere Forschungen in diesem Bereich seien daher lohnend. Allerdings, so betonen sie, besteht noch reichlich Optimierungsbedarf, denn noch braucht ein Patient einen wahren Maschinenpark, um auf diese Weise „beweglich“ zu werden. So sollen die Geräte künftig deutlich kleiner und automatisierter werden.

15 Wörter auf der Tastatur


Dass das System als solches effektiv funktioniert, zeigt eine weitere, ebenfalls in der gleichen „Nature“-Ausgabe erschienene Studie. Ein Forscherteam um Krishna Shenoy von der Stanford Universität untersuchte die System-Leistungen von NMP an zwei Affen. Sie registrierten zunächst die neuronale Aktivität im Gehirn der Tiere, wenn diese nach verschiedenen Zielen auf einem Bildschirm griffen. Daraus ermittelten sie die typischen Aktivitätsmuster für diese Bewegung und nutzten diese, um so auch die nur geplanten, aber noch nicht ausgeführten Bewegungen der Tiere anhand dieser Muster zu erkennen und zu prognostizieren.

Mithilfe dieses Grundaufbaus optimierten die Wissenschaftler die Genauigkeit und Effektivität des Sensor-Computer-Systems und kommen zu dem Schluss, dass die direkte Messung der Nervenimpulse direkt im Gehirn in jedem Falle der nicht-invasiven Technik überlegen ist. Ein schnelles und genaues System lässt sich, so die Forscher, bereits mit Bauteilen aufbauen, die die Information mit einer Rate übertragen, die vergleichbar dem Eintippen von rund 15 Wörtern pro Minute auf einer Tastatur ist.
(Nature, 14.07.2006 - NPO)
 
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