Neue Verbindungen von Mensch und Maschine

Zwischen einem Computer und dem menschlichen Gehirn bestehen nur wenige Gemeinsamkeiten. Das Gehirn ist so komplex und dynamisch, dass wir Menschen noch weit davon entfernt sind, es zu verstehen. In einem EU-Projekt hat ein internationales Team unter Leitung von Professor Jochen Braun vom Institut für Biologie der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg wesentliche Funktionsmerkmale von biologischen Nervenzell-Netzwerken und von künstlichen Netzwerken aus Halbleiterbauelementen erforscht. Bei der direkten elektrischen Kopplung zwischen den biologischen und mikroelektronischen Netzwerken konnte spontan Information übertragen werden. Damit wurde das Prinzip einer neuartigen „sanften“ Schnittstelle zwischen Gehirn und Computer etabliert.

Hilfe für Parkinson- oder Schlaganfallpatienten

Die Neuroprothetik ist ein noch junger Zweig der Medizin, der erst wenige Jahrzehnte alt ist. Das Ziel ist es, durch Unfälle oder Krankheiten ausgefallene Hirnleistungen mit Hilfe elektronischer Implantate so gut es geht zu kompensieren. Die dabei bereits erzielten Ergebnisse sind nicht nur für medizinische Laien erstaunlich. Mit einem einzigen Knopfdruck lässt sich beispielsweise das unwillkürliche Zittern der Gliedmaßen von Patienten mit einer Parkinson-Erkrankung (Schüttellähmung) unterdrücken. Möglich macht es die sogenannte Tiefe Hirnstimulation (Deep Brain Stimulation). Dazu implantieren Neurochirurgen ein bis zwei dünne Elektroden in zuvor mit MRT-Bildgebungsverfahren lokalisierte, tief unter der Schädeldecke liegende Hirnregionen. Die Elektroden sind mit einem Impulsgeber etwa von der Größe einer Kreditkarte verbunden, der im Bereich der Brust oder im Oberbauch unter die Haut eingepflanzt wird. Die von diesem Gerät abgegebenen elektrischen Impulse lassen sich so einstellen, dass sie die Nervenzellaktivität im Gebiet der implantierten Elektroden derart verändern, dass der Tremor, also das Zittern, nahezu verschwindet. Die Folge: Der Patient kann wieder relativ normal laufen bzw. die Hände kontrolliert bewegen.

Weltweit forschen Wissenschaftler an Neuroprothesen, die viele andere Funktionen des erkrankten oder verletzten Gehirns übernehmen könnten. Dazu zählen beispielsweise intelligente Arm- und Gangprothesen für Patienten, die als Folge einer schweren Erkrankung (z. B. Schlaganfall bzw. Amyotrophe Lateralsklerose) oder eines Unfalls (z. B. Verlust von Gliedmaßen bzw. eine Querschnittslähmung) ihrer motorischen Fähigkeiten beraubt wurden.

Die Neuroprothesen greifen elektrische Spannungsverschiebungen in Teilen des Gehirns ab, die für die Planung und Koordinierung von Bewegungen wichtig sind. Die im Rechner verarbeiteten Daten werden dann auf künstliche Neuroprothesen übertragen, mit deren Hilfe Patienten lernen, ihre Behinderung zu überwinden.

Neuroprothetik für Patienten am Magdeburger Universitätsklinikum

Die Universitätsklinik für Stereotaktische Neurochirurgie in Magdeburg, unter der Leitung von Prof. Dr. Jürgen Voges, zählt zu den vergleichsweise wenigen Einrichtungen an deutschen Universitäten, an denen diese Eingriffe in das menschliche Gehirn möglich sind. Die Forscher dort untersuchen darüber hinaus, ob die Tiefe Hirnstimulation künftig auch zur Therapie neuropsychiatrischer Erkrankungen wie der Alkoholsucht und von Zwangsstörungen geeignet ist.

Auch an der Magdeburger Universitätsklinik für Hals-Nasen-Ohren-Erkrankungen, unter Leitung von Prof. Dr. Christoph Arens, setzen Mediziner bereits Neuroprothetik ein. Die HNO-Ärzte sprechen von sogenannten Cochlea-Implantaten (CI). Diese können teilweise Funktionen des Innenohres übernehmen. Sie wandeln die am Ohr eintreffenden Schallwellen in elektrische Signale um und leiten diese weiter zum auditorischen System des Gehirns. Störungen der Hörsinneszellen im Innenohr lassen sich so technisch korrigieren.

Bislang sind diese Geräte noch unvollkommen. Ihre Nutzung erfordert von den Betroffenen viel Training, wobei in erster Linie die Adaptionsfähigkeit und Plastizität des menschlichen Nervensystems genutzt wird. Neurobiologen, Informatiker, Mathematiker und Physiker arbeiten bereits an Schnittstellen, die besser mit den Nervenzell-Netzwerken im Gehirn interagieren können. Voraussetzung für den Erfolg ist es, die Funktionsweise des Gehirns besser zu verstehen.

 

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Autor: Uwe Seidenfaden