• Hanns J. Neubert

Gedanken-Übertragung.

Brain1Innovation. Brain-Computer-Interfaces schicken Informationen direkt von einem lebenden Gehirn zu den elektrotechnischen Schaltkreisen von Computern. So können Menschen heute schon allein durch ihr Denken Maschinen steuern. Und das ist erst der Anfang.

Gertrude sendet. Der Chip, eingepflanzt unter der Schädeldecke des Schweins, misst gerade einmal 23 Millimeter im Durchmesser. Er zeichnet die schwachen Nervensignale aus 1024 elektrodenbestückten Kabeln auf, digitalisiert sie und schickt sie via Bluetooth an einen Computer. Der vollzieht nach, was in Gertrudes Gehirn vor sich geht, wenn sie geht, steht oder sich hinlegt.

Als Ende August 2020 der Multimilliardär Elon Musk seine Gehirn-Computer-Verbindung Neuralink zeitgemäß bei YouTube vorstellt, weht der Hauch einer Ahnung dessen über den Globus, was künftig möglich sein könnte. Werden wir in Zukunft dank der Brain-Computer-Interfaces (BCI) mit unseren Gedanken Maschinen steuern, auch wenn sie auf anderen Kontinenten stehen? Allein mit der Kraft von Gedanken Drohnenschwärme über feindlichem Gebiet lenken? Unsere Gedanken in Computer einlesen? Und schließlich das Wissen künstlicher Intelligenz über einen Computer in unser Gehirn übertragen?

„Tatsächlich ist das, was Musk gemacht hat, heute mehr oder minder Stand der Technik“, erklärt Thomas Stieglitz, Professor für biomedizinische Mikrotechnik am Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg, dem größten universitären Mikrotechnik­institut Europas, und einer der wichtigsten deutschen Experten für die Entwick­lung von BCI-Technologien.

PR-trächtige Rekordjagden à la Musk sind dem Forscher allerdings suspekt. „Es geht heute bei den BCIs nicht unbedingt um höher, schneller, weiter, die maximale Anzahl von Kabeln im Gehirn“, findet der Neurotechnologe. „Manchmal reicht es schon, wenn wir intelligente Steuerungssysteme haben, die in der Lage sind, an nur wenigen Stellen das Gehirn zum richtigen Zeitpunkt und auf die richtige Art und Weise zu unterstützen, damit es sich beispielsweise nach einem Schlaganfall wieder erholen kann.“

Stieglitz’ Mission ist es, Menschen mit Behinderungen oder neurologischen Erkrankungen mehr Lebensqualität zu verschaffen. „Wenn 16 Kontakte an den richtigen Stellen im Gehirn ausreichen, um die Lebensqualität von Patienten mit fühlenden Arm- oder Beinprothesen zu verbessern, dann ist das letzten Endes sinnvoller, als Hunderte von Kabeln und Anschlüsse in Körper und Gehirn zu verlegen.“

In zahlreichen Experimenten steuern Versuchspersonen so bereits erfolgreich Roboterarme, Rollstühle und Exoskelette allein durch mentale Konzentration. Bahnbrechend ist dabei, dass diese Menschen ihre Arme und Beine mittlerweile fühlen können. Eine Tasse Kaffee anfassen und spüren, dass diese heiß ist. Oder sie greifen einen Wattebausch, und die Finger melden zurück, da musst du nur wenig Druck ausüben.

Bei einem Menschen mit Beinprothese geht der Impuls hin und her. Das Gehirn befiehlt: „Bein, geh nach vorn.“ Und das Bein antwortet: „Ich gehe nach vorn, aber da ist ein holpriger Untergrund.“

Sogar Locked-in-Syndrom-Patienten sind heute in der Lage, buchstabenweise, aber durchaus flott, mit ihrer Umgebung zu kommunizieren. Das sind vollständig gelähmte Menschen, die bei vollem Bewusstsein sind, sich sprachlich jedoch nicht mehr mitteilen können.

In Richtung Schreiben per Gedanken denkt auch Facebook, das seit einigen Jahren an einer implantierbaren Technologie forscht, mit der Nutzer Texteingaben per Gedankenübertragung machen. Die fernere Vision ist, die User eines Tages mittels Gedankenübertragung kommunizieren zu lassen, vielleicht sogar deren Erinnerungen im Computer zu speichern und auf Wunsch wiederzugeben – oder zu verkaufen?

Mit den Methoden der Vergangenheit hat das nicht mehr viel zu tun. Seit Ende der 1920er-Jahre nutzt die Medizin schon die Erkenntnis, dass sich die elektrischen Signalströme der Nerven messen lassen. Daraus entwickelte sich die Elektroenzephalografie (EEG), heute Standard in der medizinischen Gehirn­diagnostik.

Patienten bekommen dabei eine Haube mit zahlreichen Elektroden über den Kopf gestülpt, die die äußerst schwachen Spannungsschwankungen messen, die durch den Schädelknochen dringen. Anhand der dann aufgezeichneten Messkurven können Neurologen Gehirnfunktionen überwachen und bei ungewöhnlichen Signalkurven auf Krankheiten schließen.

Varianten dieser Technik vermarkten inzwischen auch Unternehmen aus den Branchen Entertainment, Fitness und Wellness. Sie warnen vor Stress, Müdigkeit oder Konzentrationsmangel, helfen bei Entspannungs- und Meditationsübungen. Auch sollen sie Lernen und körperliches Training effizienter machen.

Selbst die Computerspiel-Branche will auf diese Weise Gehirnströme dazu nutzen, Spielweise, Charaktere und Umgebungen dem momentanen psychischen Zustand eines Spielers anzupassen, um ihn beispielsweise aus einem Stimmungstief zu holen.

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Während das lange etablierte EEG also nur in einer Richtung funktioniert, nämlich vom Gehirn zum Computer, können die neuen invasiven BCI-Techniken auch andersherum mit elektrischen Impulsen Reaktionen im Gehirn auslösen.

 „Bei der Behandlung von Parkinson kann zum Beispiel ein Impuls von außen gegeben werden, der dem Gehirn sagt: Du sollst nicht zittern“, erklärt Stieglitz. Auch erblich bedingtes Muskelzittern, Epilepsie oder sogar psychisch bedingte Zwangserkrankungen lassen sich so therapieren. Das geht nur über implantierte Chips, deren Elektronik auf die Impulse aus dem Gehirn reagieren kann.

Wenngleich die Forschung also schon ganz schön weit gekommen ist, steht sie immer noch am Anfang eines langen Weges. Wollen Neurowissenschaftler die Aktionen einer Gehirnregion messen, wissen sie von vornherein immer noch nicht exakt, wo genau sie die Kabel­enden mit den Elektroden hinlegen müssen. Deshalb verlegen sie lieber mehr Elektroden ins Gehirn und schauen dann nach, welche der Anschlüsse sinnvolle Signale liefern. Das können von 100 Elektroden zehn oder 15 sein.

„Wenn man da jetzt mit 100 oder 1000 Elektroden ins Gehirn geht, wird man immer besser. Dann hat man zur Auswertung statt vielleicht nur zwei Optionen zwischen zehn und 50 Informationskanäle. So kommt man natürlich mit der Zeit so etwas wie dem Gedankenlesen letztlich immer näher“, erklärt Pascal Fries, Professor in System-Neurowissenschaften an der Radboud Universität, Nijmegen, Niederlande, und Direktor am Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried bei München.

Um die Forscher mit Chip-Implantaten und hauchdünnen Hirnkabeln zu versorgen, wurde aus einer Arbeitsgruppe um Stieglitz vor zehn Jahren die CorTec GmbH in Freiburg ausgegründet. Stieg­litz und Fries gehören mit ihren Expertisen bis heute zum wissenschaftlich-technischen Beirat.

Das Flaggschiff des Unternehmens ist das vollständig implantierbare sogenannte Brain Interchange System. Es kann Hirnaktivität im Langzeiteinsatz sowohl messen als auch stimulieren. Die elektrischen Impulse aus 32 Elektrodenkabeln werden im Chip unter der Schädeldecke digitalisiert und dann drahtlos zu einem Rechner gesendet. Dessen Software ist so programmiert, dass sich das System quasi selbst steuern kann, indem es auf eine bestimmte Gehirnaktivität mit einer genau dosierten, angepassten Stimulation reagieren kann.

Das inzwischen auch in den USA aktive Unternehmen schloss vor einem Jahr eine Finanzierungsrunde ab, bei der es stattliche 13 Millionen Euro einsammeln konnte. Zu den Investoren gehörte auch das Familiy Office der Familie Strüngmann, Gründer des Pharmaunternehmens Hexal und des Ernst-Strüngmann-Instituts, dessen Direktor Fries ebenfalls ist.

Eine besondere Herausforderung ist die tiefe Hirnstimulation, bei der die Elektrodenkabel durch die Hirnrinde hindurch in weit innen liegende Regionen eindringen. Auf diese Weise wird bereits Parkinson erfolgreich behandelt. In Experimenten gelang es inzwischen auch, Zwangsstörungen und -gedanken oder schwere Depressionen zu lindern. Da ist es nicht mehr weit bis zur Steuerung von Gefühlen, die in der Amygdala lokalisiert sind, dem Mandelkernkomplex im Gehirn, der eine wesentliche Rolle in der Emotionsregulation und der Empfindung von Gefühlen spielt. Fries vermutet, „dass das sicherlich ein Zielort von zukünftigen Interventionen sein könnte“.

Dann wäre es auch nicht mehr weit bis zum Auslesen von Gedanken. „Werden von geeigneten Stellen im Gehirn Impulse abgeleitet, lässt sich heute schon sehr genau sagen, ob ein Mensch sich von zwei Bildern das eine oder das andere vorstellt“, informiert Fries. Damit sind die Forscher natürlich noch weit davon entfernt, die mit dem Bild verknüpften Farben oder die damit verbundenen Erinnerungen aus Gehirnströmen „sehen“ zu können. „Aber dem käme man natürlich näher, wenn man Impulse von mehr Stellen im Gehirn mit mehr Kanälen transportiert“, so Fries. „Das ist grundsätzlich der Weg zum Auslesen des Gehirns.“

Natürlich wirft all das auch ethische Fragen auf, etwa nach dem Schutz der Gehirndaten, aber auch der Daten, die Hinweise auf eine Erkrankung oder einen Gemütszustand geben. Stieglitz ist da ganz klar: „Wir sollten sehen, dass es gute Rahmenrichtlinien gibt, die nicht an dem Willen und dem Finanzbedürfnis einzelner Personen hängen, auch nicht der Patienten“, betont er. „Nicht, dass wir in Schieflagen kommen, dass jemand seine Daten verkauft, weil er irgendwie davon Vorteile hat.“

Noch ist dafür genügend Zeit. Denn bis zum maschinellen Gedankenlesen werden „einige Generationen forschen müssen“, ist Stieglitz überzeugt. Um zu illustrieren, wie schwierig der Weg zur Erkenntnis ist, bemüht er ein Beispiel: „Wenn ich Ihnen ein Auto auseinandergeschraubt vor die Füße werfe, dann können Sie damit noch nirgendwo hinfahren. Die Forschungsfrage für die Zukunft ist also: Wie kriege ich die Daten zusammen und welches Wissen benötige ich, um darin einen Sinn zu erkennen? Letzten Endes geht es ja nicht um 1000 Einzelteile, um im Bild zu bleiben, sondern um die Vermessung von rund 100 Billionen Kommunikationsverbindungen, die in einem menschlichen Gehirn aktiv sind.“     ®

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So funktioniert unser Gehirn.

Das menschliche Gehirn besteht aus rund 86 Milliarden Neuronen, den Nervenzellen. Das hat die brasilianische Neurowissenschaftlerin Suzana Herculano-Houzel 2008 zum ers­ten Mal in der Geschichte der Hirnforschung ziemlich genau ausgezählt. 16 Milliarden davon liegen im Kortex, der dicken Rinde, die das Groß- und Kleinhirn umschließt und die mit ihren Furchen und Falten wie eine Walnuss aussieht. Hier liegen das Bewusstsein und die Fähigkeit zum logischen und abs­trakten Denken.

Spezifischere Funktionen verteilen sich auf umgrenzte Areale, die beispielsweise für Sprachverständnis, Gesichtserkennung, Handkoordination oder auch Speicherung von Erinnerungen zuständig sind.

Doch keine dieser Regionen ist ganz allein für eine bestimmte Fähigkeit verantwortlich. Jede einzelne der Gehirnzellen hat wiederum bis zu 10000 Verbindungen – Synapsen, die sowohl mit benachbarten als auch mit weit entfernten Zellen zusammenarbeiten. Insgesamt sind es wohl an die 100 Billionen vernetzte Anschlüsse, die neben den Körperfunktionen das menschliche Denken steuern.

Obwohl dieses unglaublich komplizierte Organ nur zwei Prozent des Körpervolumens ausmacht, verbraucht es – um reibungslos zu funktionieren – 25 Prozent der gesamten Energie, die der Körper täglich verbrennt. Das sind rund 500 Kilokalorien pro Tag. In elektrischer Leistung ausgedrückt: gerade einmal 25 Watt. Zum Vergleich: Supercomputer würden für ähnlich viele Rechenoperationen, wie sie im Gehirn zu jeder Zeit parallel ablaufen, je nach Modell 50 bis 5000 Mal so viel an elektrischer Leistung benötigen.

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Die Technik der Neurowissenschaft.

Bei ihren Eingriffen ins Gehirn arbeiten die Neurowissenschaftler mit ungefähr 0,02 Millimeter dicken Kabeln – das ist ein Sechs­tel des Durchmessers eines menschlichen Haares. Mehrere Stromleiterstränge sind als Flachkabel in einer dünnen, besonders biegsamen Folie zusammengefasst, die je nach Anzahl der Leitungsstränge vier bis fünf Zentimeter breit sein kann. „Wir stapeln aber auch zwei Millimeter breite Streifen aufeinander. Das ist dünner und lässt sich leichter durch den Schädelknochen führen“, erläutert Thomas Stieglitz.

Es werden oft mehr Kabel ins Gehirn verlegt, als letzten Endes benötigt werden. Die überflüssigen Kabel verbleiben im Gehirn des Probanden. „Die Materialien sind alle nicht giftig“, sagt Stieglitz. „Wenn der Körper einmal die Fremdkörperreaktion, die Heilung, gut abgeschlossen hat, bleiben Kabel und Chip stabil liegen.“

Die elektrischen Signale aus dem Gehirn gelangen über eine wasserdichte Verbindung zu einer empfindlichen Mikroelektronik in einem Chip, der in einem sehr flachen, wasserdichten Gehäuse unter dem Schädeldach liegt. Dort werden die empfangenen Impulse digitalisiert, um dann entweder über ein Kabel durch den Schädelknochen oder heute zunehmend über eine Bluetooth-Funkverbindung nach außen und zu einem Rechner geleitet zu werden.

Wegen der inzwischen extrem miniaturisierten Elektroden scheint das Gehirn tatsächlich nicht mehr aktiv auf so ein Implantat zu reagieren. Überschreiten Kabel und Elektroden eine gewisse Flexibilität, kann das Gehirn sie offenbar nicht mehr spüren.

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Autor: Hanns J. Neubert

Fotos: iStock/nullplus // iStock//wildpixel // CorTec // Neuralink screengrab // iStock/miriam-doerr

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