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Neurobionik: Affe steuert Armprothese mit seinen Gedanken

Donnerstag, 29. Mai 2008

Pittsburgh – US-Forschern ist ein wichtiger Fortschritt in der Entwicklung einer Neuroprothese gelungen. Ihre Publikation in Nature (2008; doi: 10.1038/nature06996) zeigt, wie Affen über ein Hirnimplantat einen Roboterarm zur Nahrungsaufnahme benutzen.

Auf dem ins Internet gestellten Film ist zu sehen, wie ein Makake mit einem Arm nach einem Marshmellow greift, die Hand dann zum Mund führt und die Süßigkeit verzehrt. Das wäre nicht weiter bemerkenswert, wenn das Tier seinen eigenen Arm benutzt hätte. Doch die beiden Arme des Tieres steckten in Plastikröhren.

Der Arm, mit dem das Tier agierte, war Teil eines Roboter, dessen Bewegungen von einem Computer gesteuert wurden. Seine Befehle empfing der Rechner einzig von etwa hundert Elektroden. Sie waren in einem kleinen Sensor integriert, den die Forschergruppe um Andrew Schwartz vom “Motorlab” an der Universität Pittsburgh den Versuchstieren in einer Operation direkt auf den motorischen Cortex der Großhirnrinde platziert hatte. 

Der motorische Cortex steuert die motorischen Neurone und auch bei Menschen, die wegen einer Lähmung ihre Arme und Beinen nicht bewegen können, sind hier Signale feststellbar. Sie rühren von den Aktionpotenzialen der Neurone her, die durch eine Bewegungsabsicht aktiviert werden, auch wenn deren Umsetzung (etwa wegen einer Querschnittslähmung) nicht möglich sein sollte.
Die Versuchstiere, die sich zunächst mittels Joystick mit den Möglichkeiten des Roboterarms vertraut gemacht hatten, lernten nach der Operation schnell, ihr Gehirn zur Steuerung der Prothese zu nutzen. Nach drei Wochen waren sie in der Lage, den Arm zur Nahrungsaufnahme zu benutzen. Nach den Angaben der Forscher lag die Erfolgsrate der Affen zum Schluss bei 61 und 78 Prozent. Die Tiere sollen sogar gelernt haben, sich nach dem Fressen die Roboterfinger abzuschlecken. 

Es handelt sich um das erste lebensnahe Experiment zu einem „Brain-Machine Interface“. Bisher hatten sich die Forscher darauf beschränkt, mittels Hirnsignalen den Cursor eines Computermonitors zu bewegen. Dies gelingt beim Menschen bereits mithilfe von Signalen der klassischen Elektroenzephalografie.

An der Universität Tübingen lernte ein Patient Wörter auf dem Computer einzugeben. Die von den Affen vollbrachten Leistungen sind motorischen wesentlich anspruchsvoller. Arm und Hand werden von einer Vielzahl von Muskeln (Motoren) bewegt, welche die Tiere gezielt einzusetzen lernen mussten.

Schwartz glaubt, dass sich schon bald auch für Patienten mit Lähmungen sinnvolle Anwendungsgebiete ergeben könnten. Vonseiten der Software sieht Schwarz keine Probleme. Nur die Hardware müsse noch verbessert werden. Die zarten Elektroden würden leicht brechen. Außerdem reagiert die Immunabwehr auf den Hirnchip leider mit der Bildung eines Narbengewebes, durch den der Kontakt zwischen Hirnnerven und Maschine leicht abbrechen kann. © rme/aerzteblatt.de

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