Kommunikation per Gedankensteuerung

UTRECHT. An einer funktionsfähigen Schnittstelle zwischen Gehirn und Computer wird schon lange experimentiert. In Versuchen gelingt es sowohl mit EEG-Ableitungen als auch mit implantierten Elektroden, einen Cursor auf einem Bildschirm so zu bewegen, dass die Versuchspersonen Wörter schreiben können, indem sie mit ihren Gedanken den Verlauf eines Cursors beeinflussen.

In der Regel wird der Cursor über motorische Signale bewegt, die Testpersonen müssen sich also bestimmte Bewegungen vorstellen, um die gewünschten Buchstaben anzusteuern. Im Prinzip funktioniert dies zwar, allerdings waren solche Methoden bislang wenig praxistauglich.

Subdural implantierte Elektroden

Bei EEG-Ableitungen müssen die Patienten massiv verkabelt werden – nichts, womit man den ganzen Tag zu Hause verbringen möchte. Zudem ist das Signal-Rausch-Verhältnis dabei sehr ungünstig. Besser sind subdurale implantierte Elektroden, die Signale direkt über dem motorischen Kortex ableiten. Um solche Elektroden dauerhaft zu implantieren, muss die Methode jedoch recht zuverlässig funktionieren.

Nun haben sich niederländische Forscher getraut, ein solches System im Alltag einer ALS-Patientin zu testen (N Engl J Med 2016; 375: 2060-2066). Damit kann sie zwar recht gut kommunizieren, allerdings dauert es noch immer sehr lange, um mit den motorischen Signalen ganze Sätze zu bilden. Bei der Patientin handelt es sich um eine 58-jährige Frau im ALS-Endstadium. Auf einer 40-Punkte-Skala zur Funktionsfähigkeit liegt sie mit zwei Punkten am unteren Ende.

Im Prinzip kann sie nur noch über einen Eye-Tracker kommunizieren, eine Kamera, die der Augenbewegung folgt und es dadurch ermöglicht, Buchstaben auf einem Display anzusteuern. Ansonsten ist ihr Körper vollständig gelähmt. Die Wissenschaftler um Dr. Mariska Vansteensel bohrten Löcher mit einem Zentimeter Durchmesser in den Schädel der Frau, über diese führten sie vier Streifenelektroden ein. Jede Elektrode enthält vier Einzelkontakte mit einem Durchmesser von 4 Millimetern.

Zwei Streifen platzierten die Chirurgen über der Handregion des linken motorischen Kortex. In diesem Bereich können ALS-Patienten noch recht gut motorische Signale produzieren. Die übrigen beiden Streifen wurden über dem linken präfrontalen Kortex befestigt. Sie sollten Signale beim Kopfrechnen abfangen, für den Fall, dass der motorische Kortex durch die Krankheit beschädigt ist.

Die Elektrodenkabel wurden subkutan zu einem Transmitter über der Brust geführt. Dieser sendet die Signale an einen Rechner, der wiederum einen Cursor über einer Buchstabentabelle steuert. Indem sich die Patientin vorstellt, die rechte Hand zu bewegen, kann sie den Cursor bewegen und eine kommerzielle Buchstabiersoftware bedienen. Um den jeweiligen Buchstaben anzuklicken, muss die imaginäre Handbewegung mindestens eine Sekunde anhalten. Ein Video demonstriert den Ablauf.

Trefferquote über 90 Prozent

Nach der Elektrodenimplantation trainierte die Patientin zunächst die Cursorsteuerung in einigen Sitzungen, zugleich optimierten die Forscher um Vansteensel ihre Softwareeinstellung. Zweimal die Woche nahm die Patientin in den folgenden Monaten an Adjustier- und Kontrollsitzungen teil. Dabei lag ihre Trefferquote bei 91 Prozent, wenn sie mit dem Cursor etwas auswählen sollte, und bei 87 Prozent, wenn anklicken erwünscht war.

Mit der Zeit fiel es der Frau immer leichter, ihre Ziele korrekt anzusteuern, die Zeit für einen Buchstaben halbiert sich fast von 52 auf im Mittel 33 Sekunden. Nach rund 200 Tagen konnte sie das komplette System mit nach Hause nehmen. Dort benutzte sie es im Mittel eineinhalb Stunden täglich, vor allem, wenn sie nach draußen gebracht wurde und ihr Eye-Tracker unter Tageslichtbedingungen kaum noch funktionierte. Sie nahm es dann vor allem, um die Aufmerksamkeit ihrer Pfleger zu erreichen, indem sie einen Warnton aktivierte. Mit dem System war sie ähnlich gut zufrieden wie mit dem Eye-Tracker.

Die Forscher um Vansteensel sehen ihre subduralen Elektroden vor allem als Ergänzung oder Ersatz zum Eye-Tracker, sofern sich dieser nicht mehr gut bedienen lässt. Vermutlich sind solche Implantate jedoch nur der erste Schritt zu viel leistungsstärkeren Hirn-Computer-Schnittstellen. Über hochauflösende Elektrodenarrays und geeignete Software dürften sich künftig viel schneller und präziser vorgestellte in tatsächliche Bewegungen übersetzen lassen.