Ein Gehirnimplantat ermöglicht es einem eingesperrten Mann, Gedanken in schriftliche Sätze zu übersetzen

Neuauflage von Plato

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Neurofeedback-Bilder von Gehirnimplantaten

ALS (Amyotrophe Lateralsklerose) ist verheerend grausam. Wenn Neuronen, die die Bewegung steuern, langsam absterben, verlieren Sie die Fähigkeit zu gehen, zu sprechen und zu atmen. Ihr Verstand bleibt scharf, aber Sie sind völlig eingesperrt und haben keine Möglichkeit, mit der Außenwelt zu kommunizieren.

Das hat ein 37-jähriger Mann erlebt. Mit 30 Jahren wurde bei ihm die Diagnose gestellt, doch innerhalb von nur vier Monaten verlor er seine Sprach- und Gehfähigkeit. Nach zwei Jahren konnte er seine Augen nicht mehr bewegen – seine einzige Möglichkeit, mit seiner Frau und seinem kleinen Sohn zu kommunizieren. Er atmete durch ein Beatmungsgerät, war völlig gelähmt und in seinen Gedanken gefangen.

Der Mann war fest entschlossen, aus seinem physischen Gefängnis auszubrechen, und meldete sich dafür an ein sehr experimentelles Verfahren. Zwei Mikroelektroden-Arrays wurden chirurgisch in Gehirnregionen implantiert, die die Bewegung steuern. Etwas mehr als 100 Tage nach der Operation und nach umfangreichem Training war der Patient in der Lage, seinen Verstand zu nutzen, um seine Gedanken in vollständigen Sätzen auszudrücken.

Seine erste Bitte? Ändern Sie seine Körperhaltung, um ihn bequemer zu machen. Sein nächster? „Ich würde mir das Album gerne anhören Werkzeug „[eine Band] laut“, dann „Jetzt ein Bier.“

„Die Leute haben wirklich daran gezweifelt, ob das überhaupt machbar ist“ sagte Dr. Mariska Vansteensel vom Universitätsklinikum Utrecht, die nicht an der Studie beteiligt war, dazu Wissenschaft.

Wenn das System repliziert wird, verspricht es, die Kommunikation zu Hunderttausenden Menschen wiederherzustellen, die in ihren Gedanken gefangen sind, sei es aufgrund von ALS, Schlaganfall, Krebs oder traumatischen Hirnverletzungen. Bislang ist die Methode noch lange nicht reif für den klinischen Einsatz. Abgesehen von der jahrelangen Ausbildung ist das Verfahren individuell auf jeden Einzelnen zugeschnitten und kostet in den ersten zwei Jahren mindestens 500,000 US-Dollar.

Das Fachgebiet ist auch mit zwei der Autoren der Studie in Kontroversen verstrickt in einen Skandal um wissenschaftliches Fehlverhalten verwickelt für ihre frühere Arbeiten an eingesperrten Patienten. Zu der neuen Arbeit sagte Dr. Natalie Mrachacz-Kersting, Expertin für Gehirnimplantate an der Universität Freiburg, die nicht beteiligt war, sich aber ihrer Vorgeschichte bewusst ist: „Ich würde sagen, es ist eine solide Studie"

Dem Patienten war es vollkommen egal. „Zuerst möchte ich mich bei Dr. Niels Birbaumer, dem Hauptautor der Studie, bedanken“, sagte er in Gedanken. Ein Jahr später „ist mein größter Wunsch ein neues Bett und dass ich morgen mit dir zum Grillen komme“, erzählte er seiner Familie.

Der lange Weg dorthin

Eine Gehirnoperation ist für niemanden die erste Wahl.

Nach seiner Diagnose entwarf der Mann einen Plan, der jeder Familie bekannt ist, die an ALS leidet. In der Mitte befand sich ein Eye-Tracking-Gerät, mit dem er seine Gedanken formulieren konnte. Doch als die Muskeln um seine Augen nach und nach versagten, konnte er seinen Blick nicht mehr fixieren, was den Tracker unbrauchbar machte. Anschließend entwickelte die Familie ein eigenes Stift-Papier-System, mit dem sie anhand seiner Augenbewegungen einfache Gedanken verfolgen konnte. Es war rudimentär: Jede beobachtbare Augenbewegung wird als „Ja“ gewertet, andernfalls gehen sie von „Nein“ aus.

Als dem Patienten klar wurde, dass er bald die Kontrolle über seine Augen verlieren könnte, begann er, ausschließlich über die elektrischen Signale seines Gehirns zu kommunizieren. Mit dem Aufkommen immer leistungsfähigerer Software und biokompatibler Gehirnimplantate Verknüpfung des Gehirns mit Computern– und die Umgehung neuronaler Schäden – entwickelt sich zu einer weithin wirksamen, wenn auch noch experimentellen Strategie zur Bekämpfung von Lähmungen.

Beginnend mit einem nicht-invasiven Aufbau wurden ihm Elektroden auf der Oberfläche seines Schädels angebracht, um die breiten elektrischen Muster seines Gehirns zu erfassen. Da der Schädel Signale streut und Rauschen einbringt, hat das System als separate Datenquelle auch elektrische Signale im Auge gemessen. Entwickelt von Laut den Studienautoren Birbaumer und seinem langjährigen Mitarbeiter Dr. Ujwal Chaudhary arbeitete das System mit einem binären „Ja“ oder „Nein“.

Innerhalb eines Jahres scheiterte die Kommunikation erneut. Da der Mann damit rechnete, dass er völlig eingesperrt sein würde, verzichtete er – im Einvernehmen mit seiner Frau und seiner Schwester – gänzlich auf die Augen. Stattdessen entschieden sie sich für Gehirnimplantate, um seine neuronalen Signale direkt anzuzapfen.

Noch ein langer Weg

Im Juni 2018, nur drei Jahre nach seiner Diagnose, wurden dem Mann zwei Microarray-Elektroden in seinen motorischen Kortex implantiert. Jedes Implantat enthielt 64 Kanäle, um die Aktivität seines Gehirns zu überwachen und so die Außenwelt zu entschlüsseln und mit ihr zu kommunizieren.

Es ist keine neue Idee. Eine Studie im Jahr 2016 verwendeten Gehirnimplantate – insgesamt 16 Elektroden – bei einer Frau, um das Tippen zu steuern, indem sie sich Bewegungen in ihrer Hand vorstellten. Im Gegensatz zur jetzigen Patientin war sie immer noch in der Lage, mit den Augen zu blinzeln, was ihren Fall anders machte. „Wir wissen wirklich nicht, ob die Kommunikation, selbst über Gehirnsignale, noch möglich ist, wenn die gesamte Muskelkontrolle versagt“, sagten die Autoren der Studie.

Fast sofort prallten sie gegen eine Wand. Einen Tag nach der Implantation, als der Patient seine Augen noch bewegen konnte, forderte das Team ihn auf, sich auf die bisherige Strategie der Familie zu verlassen, „Ja“ oder „Nein“ zu kommunizieren und gleichzeitig seine Gehirnsignale zu überwachen. Leider waren die Signale viel zu schwach. Auch die Aufforderung an den Patienten, sich Hand-, Zungen- oder Fußbewegungen vorzustellen – alles Tricks aus früheren Arbeiten – konnte keine neuronalen Signale erzeugen, die seine Absichten entschlüsseln könnten.

Fast drei frustrierende Monate später änderte das Team seine Strategie. Sie machten sich Neurofeedback zunutze, eine Methode, die es jemandem ermöglicht, seine Gehirnsignale zu modifizieren und in Echtzeit eine Rückmeldung darüber zu erhalten, ob ihnen das gelungen ist. Es hört sich an, als ob Akademiker auf New-Age-Meditation treffen würden, und als Trainingsparadigma ist es etwas ungewöhnlich. Aber Neurofeedback wird getestet als Methode zur Selbstkontrolle der Gehirnfunktionen bei einer Vielzahl von Störungen, einschließlich Angstzuständen, Depression, Schlaflosigkeit, Sucht und andere, mit unterschiedlichem Erfolg.

Hier nutzte das Team auditives Neurofeedback, um neuronale Reaktionen in der Nähe der implantierten Elektroden besser zu messen. Sie spielten zunächst einen Ton und baten den Mann, zu versuchen, den Ton entweder höher oder tiefer zu manipulieren. Unter der Haube stiegen die neuronalen Schüsse des Mannes je nach Tonhöhe schneller oder langsamer an und sorgten so für eine kraftvolle Grundlinie.

Gehirnimplantat — *Bild-Kredit: Chaudhary et al., Nature*

Die Strategie hat funktioniert. Beim ersten Versuch gelang es dem Patienten, die Tonhöhe zu verändern. Innerhalb von zwei Wochen konnte er allein durch Konzentration den Ton annehmen. Diese ersten Tests ermöglichten es dem Team, sehr reaktionsfähige Neuronen auszuwählen, und anhand der Daten entwickelten sie eine einfache Strategie: Indem er einen Ton hoch oder tief hielt, konnte er zunächst „Ja“ oder „Nein“ und anschließend einzelne Buchstaben anzeigen .

Ein langer Weg liegt vor uns

Das Training war hart. An jedem Sitzungstag begann das Team mit 10 Minuten Grundlinienaufzeichnungen, während der Mann sich ausruhte.

„Auf diese Weise können wir unser Softwareprogramm ausführen, um die Feuerrate verschiedener einzelner Kanäle zu bestimmen“, um herauszufinden, welche für Neurofeedback optimal sind, erklärten die Autoren. Insgesamt entsprach der Mann 80 Prozent des Feedbacks, bevor sie mit den Rechtschreibsitzungen fortfuhren. Innerhalb der ersten drei Tage konnte er seinen eigenen Namen, den seiner Frau und den seines Sohnes buchstabieren.

Aber es ist immer noch eine anstrengende Aufgabe: Selbst mit monatelanger Schulung könnte er mit etwa einem Zeichen pro Minute oder 131 Zeichen pro Tag kommunizieren. Und das sind nur die verständlichen. Leider konnte die Geschwindigkeit trotz des Trainings nicht gesteigert werden.

Trotz aller Sorgfalt gelingt es dem Mann, sein Pflegeteam und seine Familie zu erreichen. In einer Nachricht wurde er gebeten, seinen Kopf höher zu stützen, wenn er Besuch hatte. Ein anderer bat darum, für die Nacht keine Hemden, sondern Socken anzuziehen.

„Er machte sogar Vorschläge, seine Rechtschreibleistung zu verbessern, indem er ‚Worterkennung aktivieren‘ buchstabierte“, sagten die Autoren etwa sechs Monate nach der Implantation. Innerhalb eines Jahres sagte er zum Team: „Jungs, es funktioniert so mühelos“ und bat seine Frau um ein schönes Abendessen mit „Gulaschsuppe und Erbsensuppe“ in seiner Ernährungssonde.

Tragischerweise war die Zeit nicht auf seiner Seite. In den drei Jahren seit seiner Implantation verlangsamte sich die Kommunikation und wurde zunehmend fehlerbehaftet, bis hin zur völligen Unverständlichkeit.

Warum dies geschah, bleibt ein Rätsel, aber Experten glauben, dass dies wahrscheinlich auf Narbengewebe um die Elektroden zurückzuführen ist, das die Signale des Gehirns dämpft. Obwohl die Autoren keine Entzündungen oder Infektionen im Implantatbereich berichteten, besteht immer ein Risiko.

Aber als Vorreiter skizziert die Studie einen Neuanfang für Menschen, die eingesperrt sind. Es ist eine hohe Belohnung mit extrem hoher Verantwortung: Viele Patienten stehen in diesem Stadium möglicherweise am Ende ihres Lebens. Wie sicher können wir einer Technologie sein, die ihre Meinungen zu Behandlungen und medizinischen Entscheidungen entschlüsselt? Was passiert, wenn das Gehirnimplantat einen Gedanken falsch interpretiert, der ihre Fürsorge impliziert? Und ab wann werden diese Geist-Maschine-Brücken bei Krankheiten, für die es keine Heilung gibt, zu einer falschen Hoffnung für geliebte Menschen, während das Gehirn langsam schwindet?

Das alles kümmert den mutigen Patienten vorerst nicht. Mit dem Implantat forderte er seinen vierjährigen Sohn auf, sich Disneys anzuschauen Robin Hood, oder „Hexe und Zauberer“ auf Amazon. „Ich liebe meinen coolen Sohn“, sagte er mit seinem Verstand.

Bild-Kredit: Wyss Center

Zeitstempel: 30. März 2022