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Elektroden-Kappe: Schlaganfall-Opfer schreibt allein mit Gedankenkraft

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Eine Verbindung zwischen Hirn und Computer: Erstmals ist es einem Schlaganfall-Patienten gelungen, mit Gedankenkraft zu schreiben - eine Technologie, die auch vermeintlichen Wachkoma-Patienten helfen könnte.

Elektrodenkappe (Archivbild): Kommunikation per Hirnstrom Zur Großansicht
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Elektrodenkappe (Archivbild): Kommunikation per Hirnstrom

Es stand nicht gut um den 68-Jährigen. Er hatte einen Hirnstamminfarkt erlitten, eine besonders dramatische Form des Schlaganfalls, die zur Lähmung beider Körperhälften führt. Selbst seine Augenlider konnte er kaum noch kontrollieren. Wie viel er noch von seiner Umwelt mitbekam, war fraglich. 30 Tage verbrachte er im Krankenhaus und wurde künstlich ernährt, anschließend kam er in ein Pflegeheim. Die Diagnose: Locked-in-Syndrom (LIS). Der Mann wird sich nie wieder bewegen können, er ist bei Bewusstsein - und eingesperrt im eigenen Körper.

Um mit der Außenwelt zu kommunizieren, benutzen LIS-Patienten oft Augenbewegungen. Dem 68-Jährigen aber ist dieser Weg weitgehend versperrt, da er seine Augen nicht ausreichend unter Kontrolle hat. Nun aber kann er sich dennoch mitteilen - dank eines Computer-Hirn-Interfaces, das die Signale aus seinem Gehirn empfängt und direkt an einen Rechner weiterleitet, wo sie in Buchstaben übersetzt werden.

Wie Forscher jetzt im Fachblatt "Science Translational Medicine" schreiben, ist damit erstmals der Beweis erbracht, dass die Computer-Hirn-Schnittstellen auch gelähmten Schlaganfall-Patienten helfen können. Bisher nämlich, erklären Eric Sellers von der East Tennessee State University in Johnson City und seine Kollegen, seien die meisten Studien mit sogenannten Brain Computer Interfaces (BCI) mit gesunden Menschen oder Patienten mit Amyotropher Lateralsklerose (ALS) durchgeführt worden. ALS-Patienten sind in der Endphase ihrer Krankheit zwar auch vollständig gelähmt, allerdings erst nach einem oft jahrelangen Prozess.

Dass auch Schlaganfall-Patienten von der BCI-Technologie profitieren könnten, war bisher nur vermutet worden, schreiben Sellers und seine Kollegen. Nun sei es bewiesen: Der 68-jährige Patient habe mit Hilfe der Maschine erfolgreich Wörter und Sätze gebildet.

Keine Operation notwendig

Bemerkenswert ist auch, dass dies mit einem nicht-invasiven BCI gelang: Der Patient in den USA trug lediglich eine Kappe mit Elektroden auf dem Kopf. In anderen Fällen wurden die Elektroden dagegen direkt auf der Hirnhaut der Patienten platziert. Auf diese Weise können die Signale der Nervenzellen bei Weitem präziser erfasst werden, als wenn sie erst den Schädelknochen und die Kopfhaut durchqueren müssen. Allerdings können operativ eingesetzte Elektroden wegen der Entzündungsgefahr kaum über längere Zeit im Kopf verbleiben.

Sellers und seine Kollegen bauten vor dem 68-jährigen Probanden einen Bildschirm auf, der eine Tastatur und ein leeres Textfeld zeigte. Dort erschienen nacheinander unterschiedliche Buchstaben oder Zahlen, die der Patient konzentriert beobachtete. Seine Hirnsignale wurden währenddessen kontinuierlich erfasst.

Tauchte nun der richtige Buchstabe auf dem Bildschirm auf, zeigten die Hirnströme eine Veränderung, welche die Wissenschaftler "Aha-Reaktion" nennen. Auf diese Weise sei der Patient in der Lage gewesen, alle 35 Sekunden einen Buchstaben hervorzubringen. Für eine ganze Nachricht habe er etwa 45 Minuten gebraucht.

"Diese Ergebnisse beweisen, dass Computer-Hirn-Schnittstellen für alle Locked-in-Patienten nützlich sein könnten", heißt es in der Studie, "unabhängig davon, wodurch ihre Situation verursacht wurde."

Hoffnung auf mehr Lebensqualität

Sellers und seine Kollegen arbeiten nach eigenen Angaben derzeit daran, Geschwindigkeit und Präzision der Buchstaben-Auswahl zu verfeinern und das System für weniger stark behinderte Menschen benutzerfreundlicher machen. Sollte die Technologie auch billiger werden, könnte sie demnächst eventuell in Krankenhäusern breiter eingesetzt werden. Derzeit koste das Gerät umgerechnet rund 8000 Euro.

Der Bedarf könnte deutlich größer sein als noch vor einigen Jahren vermutet. Untersuchungen haben zuletzt einen gruseligen Verdacht geweckt: Ein beträchtlicher Teil der Wachkoma-Diagnosen in Deutschland könnte fehlerhaft sein. Womöglich sind Tausende vermeintlich komatöse Menschen in Wahrheit Locked-in-Patienten, die zumindest teilweise bei Bewusstsein sind - und sich, da sie Gefangene ihres eigenen Körpers sind, nicht mitteilen können.

"Die BCI-Technologie kann hier großes Leid vermeiden", erklärt Surjo Soekadar, Leiter der Arbeitsgruppe Angewandte Neurotechnologie am Uniklinikum Tübingen. Schon heute gelingt es Locked-in-Patienten, mit Hilfe von Computern zu kommunizieren, einige von ihnen malen sogar auf diese Weise. Befragungen legen zudem nahe, dass Locked-in-Patienten nach der Gewöhnung an ihre Situation mit ihrem Leben ebenso zufrieden sein können wie gesunde Menschen.

"Es stellen sich in diesen Zusammenhang viele ethische und gesellschaftliche Fragen", meint Soekadar. "Zum Beispiel, ob schwerstgelähmte Patienten nicht grundsätzlich ein Recht auf ein BCI-System haben sollten, um ihre Autonomie zurückzuerlangen und um ihnen Kommunikation zu ermöglichen - und ob nicht alle Möglichkeiten ausgeschöpft werden sollten, um Patienten vor einer Fehldiagnose 'Koma/vegetativer Zustand' zu bewahren." Die Technologie dafür sei vorhanden, wie die Studie von Sellers und seinen Kollegen nun erneut gezeigt habe. "Aber sie wird in den Kliniken nicht eingesetzt."

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Koma, Wachkoma, Locked-In-Syndrom
Koma
Ein Koma kann unter anderem durch ein Schädel-Hirn-Trauma oder einen Schlaganfall, durch Sauerstoffmangel nach einem Herzstillstand, Hirnentzündungen oder Hirntumore verursacht werden. Die Patienten müssen künstlich ernährt und beatmet werden.

Wer im Koma liegt, kann auch durch starke äußere Reize nicht wieder das Bewusstsein erlangen. Es werden vier Grade der Komatiefe unterschieden. Im ersten Grad findet noch eine gezielte Reaktion auf Schmerz statt, Bewegungen der Pupillen sind nachweisbar, eine Stimulation des Gleichgewichtsorgans kann Augenbewegungen auslösen. Im vierten Grad ist keinerlei Reaktion mehr zu beobachten.
Wachkoma
Das Wachkoma, auch Apallisches Syndrom oder andauernder vegetativer Zustand (persistent vegetative state, PVS) genannt, ist oft die Folge einer gewissen Erholung von komatösen Patienten: Die Hirnfunktionen stabilisieren sich, so dass künstliche Beatmung und Ernährung nicht mehr notwendig sind. Allerdings ist das Großhirn weiterhin ganz oder zu großen Teilen ausgefallen. Zwischenhirn, Hirnstamm und Rückenmark halten Atmung, Kreislauf, Verdauung intakt. Die Patienten sind tagsüber oft wach, ihre Augen sind geöffnet. Dennoch nehmen sie ihre Umwelt nicht bewusst wahr.
Locked-In-Syndrom
Beim Locked-In-Syndrom, auch als Eingeschlossensein bezeichnet, sind Menschen nahezu vollständig gelähmt, aber bei vollem Bewusstsein und intaktem Hörsinn. Oft können sie nur noch die Augen vertikal bewegen, was zumindest eine rudimentäre Kommunikation mit der Außenwelt zulässt. Ansonsten ist die Verwendung einer Hirn-Computer-Schnittstelle möglich, welche die Hirnströme direkt in Steuerbefehle für einen Computer übersetzt. Verursacht wird das Locked-In-Syndrom oft von einem Hirntrauma oder einem Schlaganfall. Ein anderer Weg in das Eingeschlossensein ist die Amyotrophe Lateralsklerose, bei der die Betroffenen nach und nach ihre motorischen Fähigkeiten verlieren, bis sie vollkommen gelähmt sind und künstlich am Leben gehalten werden müssen.

Fotostrecke
Brain Painting: Kunst mit Köpfchen

Kurzer Wegweiser durch das Gehirn
Gehirn: Steuerzentrale des Körpers
Als Gehirn bezeichnet man den im Kopf gelegenen Abschnitt des Nervensystems, der die zentrale Steuerungszentrale des Körpers bildet. Bei höher entwickelten Tieren bildet das Gehirn zusammen mit dem Rückenmark das Zentralnervensystem. In ihm sind die Sinneszentren und übergeordnete Schaltzentren (Koordinations- und Assoziationszentren) zusammengefasst. Es ist für die Ausbildung komplizierter Handlungsabläufe, für die Fähigkeit des Gedächtnisses und für die Ausprägung von Denken, Gefühlen, Bewusstsein und Intelligenz verantwortlich.
Gehirnteile: Vorderhirn, Mittelhirn, Rautenhirn
Das menschliche Gehirn und auch das Gehirn vieler Tiere ist in drei Hauptteile gegliedert: Vorderhirn, Mittelhirn und Rautenhirn. Schon bei niederen Wirbeltieren entstehen aus dem Vorderhirn (Prosencephalon) das der Nase zugeordnete Endhirn (Großhirn) und das den Augen zugeordnete Zwischenhirn. Das Mittelhirn (Mesencephalon) bleibt ungegliedert erhalten. Das Rautenhirn (Rhombencephalon) gliedert sich weiter auf in das Hinterhirn mit dem Kleinhirn und der Brücke sowie in das verlängerte Mark, das den Übergang zum Rückenmark bildet. Mit zunehmender Höherentwicklung vergrößern sich die Teile und differenzieren sich weiter.
Großhirn: Spezialität des menschlichen Gehirns
Speziell für das menschliche Gehirn ist die Größe und Komplexität des Großhirns. Die Faltung seiner Oberfläche bewirkt eine enorme Oberflächenvergrößerung, so dass es die übrigen Hirnteile überwölbt. Das Großhirn ist das Zentrum für unsere geistigen und seelischen Fähigkeiten und damit für die komplexesten Gehirnleistungen. Es besteht aus zwei Hälften (Hemisphären), die durch ein dickes Bündel Nervenfasern, den sogenannten Balken, miteinander verbunden sind.
Großhirnrinde: Sitz der "grauen Zellen"
Die äußere Schicht des Großhirns wird als Großhirnrinde (Cortex cerebri, kurz Cortex) bezeichnet. Sie ist nur etwa zwei bis fünf Millimeter dick und enthält die erstaunliche Menge von 10 bis 14 Milliarden Nervenzellen. Wenn Gehirne in Formalin haltbar gemacht werden, sieht die Großhirnrinde grau aus. Sie wird deshalb auch als graue Substanz bezeichnet und umgangssprachlich spricht man oft von "grauen Zellen". Der übrige Teil des Großhirns besteht aus Nervenfasern, welche die Nervenzellen mit anderen Hirnteilen verbinden. Dieser Teil wird auch als weiße Substanz bezeichnet.


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