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· Review-Artikel · 7 Min. · Von Lisa Korte

Brain-Computer-Interfaces steuern Bewegung per Gedanken

Robotische Systeme sind nicht mehr nur Teil ferner Zukunft. Für die gesundheitliche Versorgung bieten sie großes Potenzial. Speziell in der Rehabilitation geht die Forschung sogar einen Schritt weiter: Derzeit sind Systeme in der Entwicklung, die per Gedanken von körperlich beeinträchtigten oder gelähmten Menschen gesteuert werden – mithilfe von

Brain-Computer-Interfaces

(BCIs) (1). Die Wissenschaft beschäftigt sich zunehmend mit solchen

Schnittstellen:

Welchen Status quo zeigt die Medizintechnik hinsichtlich BCIs und welche Perspektiven ergeben sich für die rehabilitative Gesundheitsversorgung?

Entwicklung von Brain-Computer-Interfaces

Durch Brain-Computer-Interfaces kann eine Kommunikation zwischen dem menschlichen Gehirn und einem Computer erfolgen, gewissermaßen können Gedanken Bewegungen steuern (2). Basis hierfür ist, dass die gedankliche Vorstellung der Bewegung eines Körperteils die Hirnaktivität verändert. Durch die Messung der Veränderungen und deren Umwandlung in Steuersignale kann z. B. ein Roboterarm bewegt werden (3). Nichtinvasiv werden die Gehirnströme per Elektroenzephalografie (EEG) durch Elektroden auf der Kopfhaut gemessen, invasiv durch eine direkte Verknüpfung eines Implantats z. B. mit dem bewegungssteuernden Motorkortex im Gehirn (4). BCIs erleben seit den 1970er Jahren insbesondere Fortschritte in der Materialforschung (4). Aktuell untersuchen Forscher sowohl im universitären Kontext als auch außerhalb der Wissenschaft durch zahlreiche Projekte den BCI-Kontext intensiver (5-8).

Durchbrüche für die Medizin!?

Erste Bewegungsfortschritte konnten französische Forscher bei einem querschnittsgelähmten Patienten erzielen: Über zwei Jahre zeichneten sie seine Hirnströme durch zwei kabellose, auf seinem Gehirn implantierte Geräte auf. Durch intensives Training konnte er Arme und Beine eingeschnallt in einem Exoskelett leicht bewegen (9). Mit seiner Firma Neuralink und einem internationalen Expertenteam verfolgt zudem Elon Musk die Entwicklung verschiedener Anwendungen im BCI-Bereich (10). Im Gegensatz zu herkömmlichen kabelbasierten Implantaten mit rund 100 Elektroden ist das Implantat Link V0.9 von Neuralink so groß wie eine Centmünze und besitzt bis zu 1.024 Elektroden. Die Bluetooth-basierte Datenübertragung ist daher viel präziser und senkt das Infektionsrisiko beim Patienten, da keine Kabel aus dem offenen Schädel heraushängen (4, 10). Der Markt für BCIs bietet hohe Entwicklungs- und Wettbewerbsmöglichkeiten für die medizintechnische Branche: Musk investiert ein Millionenbudget in Neuralink; auch andere Start-Ups wie Paradromics investieren in die nächste BCI-Generation. Ziel sind kleinere, leistungsfähigere und weniger invasive BCIs (1, 4). Forscher der Carnegie-Mellon-Universität und der Universität von Minnesota erzielten mithilfe eines nichtinvasiven BCIs die Steuerung eines Roboterarms per Gedanken: Der Arm kann durch die erhebliche Verbesserung der EEG-basierten neuronalen Dekodierung fließend einen Computer-Cursor verfolgen (11).

Vorteile für die Rehabilitation vs. fehlende Alltagstauglichkeit

Mit seinen 19.992.535 Patienten in den 1.126 Einrichtungen im Jahr 2018 kann vor allem der Rehabilitationsbereich von BCIs profitieren (12). Sie bieten innovative Versorgungs- und Betreuungsmöglichkeiten für gelähmte und bewegungsgestörte Patienten (7). Krankheiten des Muskel-Skelett-Systems und des Bindegewebes machten 2018 mit einer Zahl von 545.121 Diagnosen fast einen Drittel aller 1.668.223 Diagnosen in Vorsorge- und Rehabilitationseinrichtungen aus (13). In ferner Zukunft könnten BCIs die Arbeit der fast 100.000 Beschäftigten auf ein neues Level bringen und Entlastung bieten, zumal die Kommunikation erleichtert wird, wenn BCIs beispielsweise bei Sprachlähmungen nach einem Schlaganfall eingesetzt werden (14). Noch machen die circa 9,7 Milliarden Euro der Kosten in Vorsorge- und Rehabilitationseinrichtungen einen eher geringen Teil aller Gesundheitskosten aus (12). Der Rehabilitationsmarkt umfasst jedoch diverse chronische Krankheiten, die zunehmend häufiger auftreten. Schon aktuell ist ein Anstieg der Bettenauslastung in den letzten 20 Jahren zu verzeichnen: Während es 1998 noch 66,1 Prozent waren, sind es 2018 schon fast 85 Prozent gewesen. Sowohl invasive als auch nichtinvasive BCIs sind letztendlich ausbaufähig: Es bedarf umfassender Kenntnisse auf Seiten des Personals hinsichtlich Installation und Anwendung. Problematisch sind darüber hinaus die noch nicht einzuschätzenden Kosten und die möglichen Risiken für Probanden, da noch keine hundertprozentige Sicherheit und Präzision garantiert ist (2, 11, 15).

Brain-Computer-Interfaces sind Gegenwart und Zukunft

BCIs sind derzeit überwiegend Forschungsgegenstand. Bis zur sicheren Nutzung in der Medizin oder sogar im Alltag wird noch etwas Zeit vergehen, die Perspektiven sind aber vielversprechend (8). Die Technologie kann womöglich umfangreich bei der Bewältigung alltäglicher Aufgaben genutzt werden, vor allem in der Rehabilitation körperlich beeinträchtigter Personen (6, 7), aber auch bei Sprachverlust nach einem Schlaganfall. Das Fachpersonal erfährt neue Arbeitsmöglichkeiten und Unterstützung in der Behandlung – speziell relevant im Rehabilitationskontext mit einer zeitintensiven Betreuungsdauer von mindestens drei Wochen. Andererseits ist der BCI-Einsatz auch mit Risiken, Kosten und der Voraussetzung umfassender Kenntnisse verbunden (11). Investitionen in die BCI-Forschung sind daher von hoher Relevanz. Der Markt, der sich für die Medizintechnik und zukünftige Start-ups ergibt, ist groß. Die technische Weiterentwicklung von BCIs kann beispielsweise durch die Einbindung von Machine Learning gefördert werden (8). Health Professionals brauchen Weiterbildungsmöglichkeiten, damit das Gesundheitspersonal der neuen Verantwortung gerecht werden kann. Es sind schließlich neue und intensivere Kooperationen zwischen technischen und medizinischen Experten notwendig.

Quellen

  1. Science Media Center Germany gGmbH. Brain-Machine-Interfaces – Gehirn und Maschine verknüpft 2019 zum Original
  2. Choi J-r, Kim S-M, Ryu R-H, Kim S-P, Sohn J-w. Implantable neural probes for brain-machine interfaces–current developments and future prospects. Experimental neurobiology. 2018;27(6):453 zum Original
  3. Heuer. Brain-Computer-Interfaces. Fraunhofer INT; 2015 zum Original
  4. Kühl E. Brain Computer Interfaces: Ein Neuralink für deine Gedanken: Spektrum.de; 2020 zum Original
  5. Bundeministerium für Bildung und Forschung. Forschung fördern. Verbund 2020 zum Original
  6. Khan TA, Alam M, Kadir KA, Khan S, Mazliham MS, Shaikh FA, et al. An Implementation of Electroencephalogram Signals Acquisition to Control Manipulator through Brain Computer Interface. 2019 IEEE International Conference on Innovative Research and Development (ICIRD). 2019:1-6 zum Original
  7. Devecıoğlu ÖC, Yaman B, Ö M, Çakir C, İnce T. Patient-Specific Imaginary Motor Movement Classification of EEG Signals and Control of Robotic Arm. 2019 International Aegean Conference on Electrical Machines and Power Electronics (ACEMP) & 2019 International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment (OPTIM). 2019:553-6 zum Original
  8. Vinoj PG, Jacob S, Menon VG, Rajesh S, Khosravi MR. Brain-Controlled Adaptive Lower Limb Exoskeleton for Rehabilitation of Post-Stroke Paralyzed. IEEE Access. 2019;7:132628-48. zum Original
  9. Benabid AL, Costecalde T, Eliseyev A, Charvet G, Verney A, Karakas S, et al. An exoskeleton controlled by an epidural wireless brain–machine interface in a tetraplegic patient: a proof-of-concept demonstration. The Lancet Neurology. 2019;18(12):1112-22 zum Original30321-7)
  10. Neuralink. Breakthrough Technology for the Brain 2020 zum Original
  11. kma online. Ohne Gehirnimplantate. Erster erfolgreich durch Gedanken gesteuerter Roboterarm: Georg Thieme Verlag KG; 2019 zum Original
  12. Statistisches Bundesamt. 4 Gesundheit. 2019 zum Original
  13. Statistisches Bundesamt (destatis). Vorsorge- oder Rehabilitationseinrichtungen. Vollstationäre Patientinnen und Patienten der Vorsorge- oder Rehabilitationseinrichtungen (Einrichtungen mit mehr als 100 Betten). Diagnosekapitel nach Geschlecht, Jahr 2018 2020 zum Original
  14. Ärzte Zeitung online. Brain-Computer-Interfaces. Wenn der Computer das Sprechen übernimmt Berlin: Springer Medizin Verlag GmbH; 2020 zum Original
  15. Silva GA. A new frontier: The convergence of nanotechnology, brain machine interfaces, and artificial intelligence. Frontiers in neuroscience. 2018;12:843 zum Original

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