Hirnimplantat : Mit der Kraft der Gedanken

Lange waren sie gefangen im eigenen Körper. Jetzt erlaubt ein Hirnimplantat zwei vollständig gelähmten Schlaganfallpatienten, Roboterarme zu steuern.

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Aus eigener Kraft. Zum ersten Mal seit fast 15 Jahren brauchte Cathy Hutchinson nicht die Hilfe eines Pflegers, um Kaffee zu trinken
Aus eigener Kraft. Zum ersten Mal seit fast 15 Jahren brauchte Cathy Hutchinson nicht die Hilfe eines Pflegers, um Kaffee zu...Foto: dpa

Cathy Hutchinson kümmerte sich um ihren Gemüsegarten, als sie 1996 einen Schlaganfall im Hirnstamm erlitt. Es war das letzte Mal, dass die zweifache Mutter ihre Arme und Beine bewegen konnte. Der Schlaganfall nahm ihr nicht ihre geistigen Fähigkeiten, aber er machte sie zu einer Gefangenen im eigenen Körper. Bereits in einer Region über dem Rückenmark sind die Leitungen zwischen Kopf und Rumpf weitgehend gekappt. Es bleiben Nervenzellen, die weiter fleißig feuern, ohne dass ihre Signale in den Muskeln ankommen. Locked-in-Syndrom heißt das in der Fachsprache. Hutchinson war damals gerade 42 Jahre alt.

Seitdem macht sie kleine Fortschritte. Sie kann ihren Kopf wieder bewegen und schlucken, lächeln und sich über Augenbewegungen mitteilen. Vom Hals abwärts jedoch bleibt sie gelähmt, auch sprechen kann sie nicht.

Am 12. April 2011 konnte sie nun zum ersten Mal seit fast 15 Jahren aus eigener Kraft einen Kaffee trinken – mithilfe eines Roboterarms, den sie mit ihren Gedanken steuerte. Eine Leistung, die nicht nur Hutchinson glücklich lächeln ließ, sondern auch die beteiligten Forscher begeisterte. Patrick van der Smagt vom Institut für Robotik und Mechatronik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), der den Leichtbau-Roboterarm mit seinem Team entwickelt hat, erinnert sich genau an diesem Moment: „Das war sehr emotional. Wir arbeiten ja sonst mit Maschinen und Robotern. Wenn man dann in die echte Welt geht und sieht, was das für einen Patienten bedeuten kann – das ist etwas völlig anderes“, sagt er. „Die meisten von uns können sich nicht vorstellen, wie es ist, sich nicht einmal kratzen zu können oder immer auf einen Pfleger angewiesen zu sein, wenn man durstig ist.“

Möglich wurde das Experiment durch ein tablettengroßes Silikonplättchen mit 96 haarfeinen Mikroelektroden, die amerikanische Forscher um den Neurowissenschaftler John Donoghue von der Brown-Universität in Rhode Island und den Neurologen Leigh Hochberg vom Massachusetts General Hospital in Boston fünf Jahre zuvor wenige Millimeter unter der Schädeldecke von Cathy Hutchinson eingepflanzt hatten. Die Elektroden messen die Aktivität von einigen Dutzend Nervenzellen in dem Hirnareal, das für die Bewegungen von rechtem Arm und rechter Hand zuständig ist. Über ein dünnes Bündel goldener Kabel werden die Signale durch die Schädeldecke nach außen geleitet. Wird an eine Schnittstelle auf der Kopfhaut eine streichholzschachtelgroße Box angeschlossen, so kann ein Computerprogramm die Aktivierungsmuster auswerten und praktisch Gedanken lesen. „BrainGate“ nennen die Forscher ihr System: Tor zum Gehirn.

In einem ersten Schritt schaute Hutchinson nur zu, während die Forscher den Roboterarm steuerten. Sie sollte sich vorstellen, es sei ihr Arm und ihre Hand, die sich dort bewegen. Der Computer zeichnete währenddessen auf, welche Neuronen wann feuern. Die Algorithmen der Forscher schrieben derweil eine Übersetzung für den Roboterarm: Muster A heißt „nach links“, Muster B „nach oben“, Muster C „zugreifen“. Keine einfache Aufgabe, denn die Bewegungen im Raum sind komplexer, als einen Cursor auf dem Bildschirm mit Gedankenkraft zu bedienen. Etwa eine halbe Stunde dauerte es, um die Maschinen auf den jeweiligen Menschen zu kalibrieren und das Programm zum Laufen zu bringen.

Anschließend wurde der DLR-Roboterarm über BrainGate an die motorischen Nervenzellen in Cathy Hutchinsons Gehirn angeschlossen. In einem Video dokumentierten die Forscher, was dann geschah: Konzentriert schaute sie auf den Roboterarm, bewegte ihn auf eine rote Thermosflasche mit Kaffee zu, hob die Flasche auf und bewegte sie Richtung Mund. Kurz vor ihrem Gesicht ließ sie die Roboterhand mit ihren Gedanken etwas drehen, so dass sie den Strohhalm erreichen konnte. Sie trank, stellte die Flasche wieder ab und lächelte glücklich in die Kamera. „Ich habe mir einfach vorgestellt, ich würde meine Hand und das Handgelenk bewegen“, kommentierte Hutchinson den Versuch. „Ich bin Rechtshänderin, also fühlte es sich sehr natürlich an. Nur ganz am Anfang musste ich mich etwas auf die Muskeln konzentrieren, die ich für bestimmte Bewegungen brauchen würde. Dann habe ich mich schnell daran gewöhnt.“

Hutchinson ist eine von sieben Patienten, deren Gehirn so verkabelt ist. Bereits 2006 zeigten Donoghue und seine Kollegen, dass Menschen mit der Technik einen Computercursor bewegen und Mausklicks ausführen können. Ein anderes Team hatte derweil bewiesen, dass Affen mit Gedanken einen Roboterarm steuern können. Wie die Forscher um Donoghue im Fachblatt „Nature“ berichten, sind sie die ersten, die das mit zwei gelähmten Patienten umgesetzt haben: Cathy Hutchinson und Robert Veillette, der vor seinem Schlaganfall 2006 Journalist war. Veillette konnte in 62 Prozent der Fälle innerhalb von 30 Sekunden einen sechs Zentimeter großen Gummischaumball aufheben, egal ob er dabei den DLR-Roboterarm benutzte oder einen etwas weniger beweglichen Roboterarm, der vom US-Militär entwickelt wurde. Hutchinson war etwas weniger erfolgreich. Mit dem amerikanischen Arm funktionierte das Bälleeinsammeln in 46 Prozent der Versuche, mit dem deutschen Arm in 21 Prozent. Das Kaffeetrinken mit dem DLR-Arm klappte in vier von sechs Fällen.

Die Bewegungen sind noch nicht so schnell und präzise wie die eines Menschen, der seine eigenen Arme benutzen kann. Die Forscher arbeiten daran, die Übersetzung der Nervensignale zu verbessern. „Außerdem wollen wir kleine Teilbewegungen vorgeben, um den Patienten zu entlasten“, sagt van der Smagt. Hochberg ist begeistert, dass selbst Nervenzellen, die fast 15 Jahre lang kein Körperteil mehr bewegt haben, immer noch feuern und das Silikonplättchen mit den Elektroden fünf Jahre nach der Implantation weiterhin gut funktioniert.

Trotz dieser Erfolge ist die Technik weit davon entfernt, gelähmten Menschen routinemäßig zugute zu kommen. Allein der DLR-Leichtbau-Roboterarm kostet im Moment 70 000 Euro. Auch wenn der Preis sinkt, sobald in Serie produziert wird, der künstliche Arm wäre immer noch teuer. Statt die Patienten durch die Schädeldecke zu verkabeln, wollen die Forscher außerdem eine kabellose Variante von BrainGate entwickeln. Zwar hatte bisher kein Patient Nebenwirkungen, doch eine Infektion oder die Bildung von Narbengewebe kann keiner ausschließen. Bisher ist ebenfalls unklar, wie lange das Silikonimplantat hält und wann ein Patient gegebenenfalls erneut operiert werden müsste. Und so gehen die klinischen Versuche weiter, mit Cathy Hutchinson und den anderen Patienten. Ihr Traum hat mit Robotern allerdings nichts zu tun: Am liebsten würden sie ihre eigenen Muskeln wieder benutzen.

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