Experiment Implantat lässt Gelähmten schreiben – mit der Kraft seiner Gedanken

Seit einem Unfall ist ein Mann aus den USA vom Hals abwärts gelähmt. Ein Implantat in seinem Gehirn ließ ihn nun trotzdem am Computer schreiben – indem er an die Buchstaben dachte.
Diese Illustration zeigt, wie das Prinzip funktioniert: Die Testperson denkt an einzelne Buchstaben, ein Implantat erfasst das Signal, das am Computer in den Buchstaben übersetzt wird

Diese Illustration zeigt, wie das Prinzip funktioniert: Die Testperson denkt an einzelne Buchstaben, ein Implantat erfasst das Signal, das am Computer in den Buchstaben übersetzt wird

Foto: F. Willett / Nature 2021 / Erika Woodrum

Ein neu entwickeltes Implantat im Gehirn kann Gedanken an Handschrift in tatsächliche Schrift am Computer übersetzen. US-Forscher haben eine solche Computer-Hirn-Schnittstelle dazu genutzt, um einem gelähmten Menschen bei der Kommunikation zu helfen, wie sie im Fachmagazin »Nature«  berichten.

Der Mann konnte dadurch ähnlich schnell schreiben wie gesunde Gleichaltrige, die Sätze auf dem Smartphone tippen. Noch handelt es sich allerdings um ein einzelnes Experiment. Ob und wann das Implantat im großen Stil eingesetzt werden kann, ist ungewiss.

Das Implantat ist so groß wie eine Tablette und muss im Gehirn eingesetzt werden

Das Implantat ist so groß wie eine Tablette und muss im Gehirn eingesetzt werden

Foto: Matthew Mckee / BrainGate.org

Die US-Forscher hatten einem Mann, der seit einem Unfall vom Hals abwärts gelähmt ist, ein Implantat in die rechte Seite des Kopfes implantiert. Der Unfall lag zu diesem Zeitpunkt neun Jahre zurück. Das Gerät ist etwa so groß wie eine kleine Tablette und misst mit über hundert Elektroden die Gehirnaktivität des Areals, das für Handbewegungen verantwortlich ist.

Gehirn erinnert sich auch nach Jahren, wie man schreibt

Der Mann sollte daran denken, wie er einzelne Buchstaben schreibt. Kabel übertrugen die dabei erzeugten Signale an einen Computer, wo sie ausgewertet und interpretiert wurden. Ein spezielles Programm vollzog nach, welche Signale das Gehirn an die Muskeln der Hände zu senden versuchte und übersetzte sie in den dazugehörigen Buchstaben, der dann auf dem Bildschirm erschien.

Die Muster in der Gehirnaktivität beim Gedanken an einen Buchstaben ließen sich gut voneinander unterscheiden, berichten die Forscher. Jeder Buchstabe erzeugt demnach ein sehr unterschiedliches Aktivierungsmuster.

Das Experiment konnte nur funktionieren, weil Menschen Grundlegendes nicht so schnell verlernen, selbst wenn sie es über lange Zeit nicht anwenden können. Das Gehirn des Mannes konnte sich weiterhin erinnern, wie man schreibt, obwohl er schon seit fast einem Jahrzehnt seine Hände nicht mehr direkt ansteuern kann.

Der eingesetzte Algorithmus kann laut den Forschern darauf trainiert werden, einzelne Buchstaben und Satzzeichen neuronalen Mustern zuzuordnen. Zusätzlich nutzt das System eine automatische Fehlerkorrektur, wie sie auch bei Smartphones eingesetzt wird.

Doch auch ohne diese Funktion funktionierte das Programm erstaunlich gut und lieferte in 94 Prozent der Fälle das richtige Ergebnis. Mit maximal 90 Zeichen in der Minute ist das Verfahren laut dem Forscherteam mehr als doppelt so schnell wie bisherige Methoden, bei denen zum Beispiel ein Cursor per Gedankenkraft bewegt wird.

Invasiver Eingriff

Ein weiterer Vorteil: Bei anderen Ansätzen steuern Gelähmte einen Cursor mithilfe von Augenbewegungen. Das neue System könnte auch bei Patienten funktionieren, die zu Augenbewegungen nicht mehr fähig sind, etwa Menschen, die am sogenannten Locked-in-Syndrom leiden.

Dieses kann zum Beispiel im Spätstadium der amyotrophen Lateralsklerose (ALS) auftreten und beschreibt einen Zustand, bei dem die Betroffenen bei Bewusstsein, aber vollständig gelähmt und damit unfähig sind, sich mitzuteilen.

Die Buchstaben in Schreibschrift

Die Buchstaben in Schreibschrift

Foto: BrainGate.org

Christoph Reichert vom Leibniz-Institut für Neurobiologie in Magdeburg dämpft allerdings die Erwartungen für die praktische Anwendung. Der Grund: Das Hirnimplantat erfordert einen invasiven Eingriff – ohne dass dafür unmittelbare medizinische Gründe vorliegen. Ein solcher Eingriff zu Forschungszwecken ist ethisch umstritten und würde laut Reichert in Deutschland vermutlich nicht genehmigt.

Forschung erst am Anfang

Mensch-Computer-Schnittstellen sind bisher in der Regel nicht invasiv. Die Gehirnsignale werden von außen abgelesen, ohne ein Implantat im Hirn einzusetzen. Das Problem: Die Schädeldecke wirkt dabei wie ein Filter, Signale werden dadurch schwächer.

Das sei in etwa so, als würde man die Auflösung eines Buchstaben auf vier Pixel verkleinern. »Dann könnte ich vielleicht noch hell und dunkel unterscheiden«, erklärt Reichert. Der Buchstabe selbst sei aber nicht mehr zu erkennen. Zudem bezweifelt der Informatiker, der seit mehr als zehn Jahren im Bereich der Neurobiologie arbeitet, dass der Ansatz aus den USA bei allen Patienten anwendbar sein wird.

Bei Krankheiten wie ALS ist in den meisten Fällen auch der Motorkortex betroffen, also der Bereich des Gehirns, in dem die Motorik gesteuert wird. Das Verfahren würde dann nicht funktionieren.

Bleibt dieser Teil des Gehirns intakt, wie etwa bei Unfallopfern, liegen die Herausforderungen laut Reichert vor allem im Trainieren des Algorithmus. Es müsse sichergestellt werden, dass die Patientinnen und Patienten die Aufgaben verstehen, und dies müssten sie auch zweifelsfrei mitteilen können.

Das Forscherteam selbst sieht sich ebenfalls erst am Anfang. Das System sei aber ein Beleg, dass das Konzept funktioniere. Bis zu einem Einsatz brauche es jedoch noch mehr Tests.

Zudem müsse die Technologie weiter ausgereift werden, damit sie auch langfristig, sicher und effizient funktioniert. Trotzdem tüftelt das Forscherteam bereits an weiteren Funktionen. So soll die Zahl der möglichen Zeichen steigen, auch Löschen und Verändern des Texts sollen in Zukunft möglich sein.

koe/dpa