Chip im Hirn Gelähmter steuert erstmals Arm mit Gedanken

Er kann im Labor eine Kreditkarte durch einen Leser ziehen oder Wasser einschenken: Forscher haben einem Querschnittsgelähmten einen Teil seiner Bewegungen zurückgegeben. Möglich macht das ein Chip im Gehirn.
Querschnittsgelähmter Ian Burkhart

Querschnittsgelähmter Ian Burkhart

Foto: Ohio State University Wexner Medical Center/ Batelle

Dass sich seine Hand bewegte, war für Ian Burkhart beim ersten Mal ein großer Schock. Sein Gehirn gab den Befehl und seine Muskeln gehorchten. Mühsam zogen sie sich zusammen und entspannten sich wieder. Es war das erste Mal seit dreieinhalb Jahren, dass sie taten, was Ian wollte.

Damals war der 19-Jährige beim Tauchen im Familienurlaub verunglückt. Bei dem Unfall war sein Rückenmark auf Höhe des fünften und sechsten Halswirbels durchtrennt worden, die Mediziner diagnostizierten eine Querschnittslähmung. Erst sah es so aus, als würde er seine Arme und Beine nie wieder kontrollieren können, nur im Bereich der Schulter hatte Burkhart noch etwas Beweglichkeit.

Drei Jahre später gab ihm ein Team aus Neurowissenschaftlern, Ingenieuren und Technikern die Kontrolle über einen Teil seiner Muskeln zurück. Mittlerweile beherrscht Burkhart komplexe Bewegungen, er kann eine Flasche greifen, sich einschenken und die Flüssigkeit umrühren. Möglich machen dies ein Chip im Gehirn und eine Manschette mit Elektroden am Arm, die direkt miteinander kommunizieren - und die verletzte Stelle im Rückenmark umgehen.

Bewegungen nachahmen

Bewegungen nachahmen

Foto: Bouton/ Annetta/ Rezai/ Nature

Bei einer Querschnittslähmung, also einer Durchtrennung des Rückenmarks, laufen die Nervenimpulse des Gehirns plötzlich ins Nichts. Es ist, als würde sich mitten auf der Autobahn ein riesiger Graben auftun. Die Nervenzellen ober und unterhalb der Verletzung aber sind noch voll funktionstüchtig. Das machten sich die Forscher von der Ohio State University und dem Battelle Memorial Institute zunutze.

Erster Schritt: Gedanken lesen

In einem ersten Schritt implantierten sie einen Computerchip, kleiner als eine Erbse, genau an die Stelle des Gehirns, die für die Steuerung von Handbewegungen zuständig ist. Um sie ausfindig zu machen, ließen die Mediziner ihren Patienten vor der Operation Videos von Handbewegungen betrachten und beobachteten, was dabei in seinem Gehirn passiert.

Anschließend konnten sie mithilfe des Chips lesen, was direkt in Burkharts Gehirn vor sich geht. Die Ergebnisse mussten sie jedoch erst einmal verstehen lernen: Was macht das Gehirn, wenn Burkhart die Hand schließen wollte? Wie sieht die Aktivität aus, wenn er das Handgelenk knicken oder den Zeigefinger strecken wollte? Dafür nutzten die Forscher einen lernenden Algorithmus.

Zweiter Schritt: Muskeln steuern

Dann kam der zweite Schritt: Es musste gelingen, die Muskeln von außen zu steuern. Dafür bastelten die Wissenschaftler eine Manschette mit 130 Elektroden, die sie am Unterarm ihres Patienten befestigten. Anschließend ermittelten sie, welche Impulse nötig waren, um die unter der Haut liegenden Muskeln zu den gewünschten Bewegungen zu animieren.

Diese Erkenntnisse kombinierten sie schließlich mit den entschlüsselten Befehlen des Gehirns. Das Experiment glückte: Im Juni 2014 gelang es Burkhart zum ersten Mal, mithilfe seiner Gedanken seine Hand zu öffnen und zu schließen. Mittlerweile kann der heute 24-Jährige die Finger einzeln ansteuern und beherrscht sechs verschiedene Bewegungen von Hand und Handgelenk, kann mit einer Spielzeuggitarre spielen und eine Kreditkarte durch einen Leser ziehen.

Dabei verbinden Kabel den Chip in seinem Gehirn, einen Computer und die Manschette am Arm. Benutzen kann er die Technik deshalb bislang nur im Labor.

Manschette mit 130 Elektroden

Manschette mit 130 Elektroden

Foto: Bouton/ Annetta/ Rezai/ Nature

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass Signale im Gehirn aufgenommen und um die Verletzung herumgeleitet werden können, dass die Widerherstellung zweckmäßiger Bewegungen und sogar Bewegungen einzelner Finger möglich sind", sagt Chad Bouton vom Battelle Memorial Institute, einer der Autoren der in "Nature" erschienenen Studie .

"Die Handgriffe sind nicht sonderlich schön"

Ian Burkhart ist nicht der erste schwer Gelähmte, bei dem Forscher mithilfe eines Chips die Gedanken lesen können. Allerdings bewegten die Patienten bislang nicht ihren eigenen Arm, sondern den eines Roboters. Ein Video etwa zeigt, wie eine Frau einen Roboterarm frei steuert und Schokolade isst. "Diese Technik auf den menschlichen Arm zu übertragen, war wichtig", sagt Gernot Müller-Putz von der Technischen Universität Graz, der nicht an der Studie beteiligt war.

Müller-Putz glaubt, dass die Technologie noch viel mehr Potenzial bietet, das die Forscher bei der aktuellen Studie nicht ausschöpfen konnten: "Die Handgriffe könnte man sicher schöner ausführen, das hängt aber immer vom klinischen Status ab", sagt er. Auch bewegte Burkhart seine Hand zum Teil, obwohl er es gar nicht wollte. "Wie die Studien mit Roboterarmen zeigen, ermöglichen Implantate im Gehirn noch vielfältigere Bewegungen", sagt Müller-Putz.

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Der Neurowissenschaftler arbeitet selbst daran, Gedanken schwer Gelähmter in Bewegungen umzusetzen. Statt einen Chip ins Gehirn einzusetzen, ermittelt seine Forschergruppe allerdings die Gehirnsignale mit Elektroden auf der Kopfhaut. "Die Signale sind dort viel ungenauer, als wenn man direkt im Gehirn misst", sagt er. Trotzdem konnte die Forschergruppe Patienten schon 2004 dazu verhelfen, mit ihrem eigenen Arm ein Weinglas hochzuheben, zum Mund zu führen und zu trinken - ein Ausschnitt dessen, was Burkhart jetzt gelernt hat.

Abwehrzellen fressen die Elektrodenspitzen

Chip (grün), Bereiche für Armbewegungen (rot), Überlappung (grün)

Chip (grün), Bereiche für Armbewegungen (rot), Überlappung (grün)

Foto: Bouton/ Annetta/ Rezai/ Nature

Die aktuelle Studie birgt jedoch ein außergewöhnlich hohes Risiko: Die Gehirnregion, in der der Chip sitzt, steuert auch einen Teil seiner noch verbliebenen Armbewegungen. Schon beim Einsetzen gingen rund 20 Prozent der Nervenzellen in dem Bereich verloren, schreibt Rüdiger Rupp von der Universität Heidelberg, der mit Müller-Putz die Weinglas-Experimente durchführte.

Hinzu komme, dass nach fünf Jahren von den 100 Elektroden des Chips nur noch vier bis fünf funktionierten. Die Signale werden immer schlechter, weil körpereigene Abwehrzellen den Chip angreifen und die Elektrodenspitzen quasi auffressen. Dann muss der Chip wieder raus - eine weitere Gefahr.

Trotzdem musste Ian Burkhart nicht lange überlegen, als er von der Studie erfuhr. "Ich denke, es ist meine Pflicht für die Gesellschaft, mich für die Versuche zur Verfügung zu stellen", sagt er. Belohnt wird er mit Zuversicht: "Ich hatte immer eine gewisse Hoffnung, aber jetzt weiß ich aus erster Hand, dass es Fortschritte in Wissenschaft und Technologie geben wird, die mein Leben besser machen werden."

Bis es so weit ist, muss die Forschung noch einige Hürden nehmen. Die Systeme müssen drahtlos werden. Einfach im Alltag zu bedienen. Und universell bei vielen Patienten einsetzbar. "Das würde ich noch ein Stück in die Ferne schieben", sagt Müller-Putz. 2025 glaubt er, wird es so weit sein, dass sich der Arm kontrollieren lässt. Mit und ohne Chip im Gehirn.

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