27.10.2016 – Kategorie: IT, Technik

Hirn-Computer-Schnittstelle sorgt für haptisches Feedback

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Gilt es, die Bewegungsfähigkeit für Menschen mit Rückenmarksverletzungen wiederherzustellen, haben sich Wissenschaftler bisher darauf konzentriert, die Hirnsignale zu den abgeschnittenen Nerven und Muskeln zu leiten, die keine Reize zur Bewegung erhalten. Aber das Ergreifen einer Tasse, das Kämmen das Haars oder Kochen einer Mahlzeit erfordert eine andere Rückmeldung, die bei amputierten oder gelähmten Menschen verloren gegangen ist, den Tastsinn.

Gilt es, die Bewegungsfähigkeit für Menschen mit Rückenmarksverletzungen wiederherzustellen, haben sich Wissenschaftler bisher darauf konzentriert, die Hirnsignale zu den abgeschnittenen Nerven und Muskeln zu leiten, die keine Reize zur Bewegung erhalten. Aber das Ergreifen einer Tasse, das Kämmen das Haars oder Kochen einer Mahlzeit erfordert eine andere Rückmeldung, die bei amputierten oder gelähmten Menschen verloren gegangen ist, den Tastsinn.

Das Gehirn benötigt Informationen von den Fingerspitzen, Gliedmaßen oder einem externen Apparat, um zu verstehen, wie fest die Person zugreift oder wieviel Druck erforderlich ist, um Alltagsaufgaben auszuführen. Erstmals sorgt eine Stimulation der Gehirnoberfläche für Tastsinn-Feedback bei direkter Bewegung. 

Forscher der University of Washington haben am National Science Foundation Center for Sensorimotor Neural Engineering (CSNE) die Oberfläche des menschlichen Gehirns direkt stimuliert, um eine grundlegende sensorische Rückmeldung durch künstliche elektrische Signale herzustellen. Das erlaubt den Patienten die Steuerung der Bewegung bei einer einfachen Aufgabe: das Öffnen und Schließen der Hand.

Es handelt sich um einen ersten Schritt hin zur Entwicklung geschlossener Regelkreise, von bidirektionalen Gehirn-Computer-Schnittstellen (BBCIs), die eine Zweiwege-Kommunikation zwischen Teilen des Nervensystems ermöglichen. Das würde dem Gehirn außerdem die Fähigkeit vermitteln, externe Prothesen oder andere Apparate, die die Bewegung verbessern, direkt zu steuern, oder gar gelähmte Gliedmaßen reanimieren helfen und dabei sensorisches Feedback herstellen.

Die Ergebnisse der Arbeiten werden in der Okt. – Dez.-2016-Ausgabe des IEEE Transactions on Haptics veröffentlicht. Eine Version des Papers steht auch bereits online.

Jeneva Cronin, UW Bioengineering Doctoral Student, erklärt, dass man nun ein Mindestmaß an sensorischem Feedback durch die direkte Stimulation des Kortex herstellen könne. Dies sei das erste Mal mit einem wachen Patienten erprobt worden, der eine motorische Aufgabe ausführte, die auf dieses Feedback angewiesen sei.

Die Gruppe der Bio-Ingenieure, Computer-Wissenschaftler und Mediziner vom CSNE und UW’S GRIDLab verwendete elektrische Signale unterschiedlicher Stärke. Die Position der Hand des Patienten, die mithilfe eines Handschuhs ermittelt wurde, steuerte diese Signale, um das mit elektrokortikografischen Elektroden (ECoG) versehende Gehirn des Patienten zu stimulieren. Der Patient nutzte dann diese künstlichen, dem Gehirn übermittelten Signale, um zu spüren, wie die Wissenschaftler seine Hand bewegt haben wollten.

Co-Autor James Wu erklärt: „Können Menschen neuartige elektrische Reize nutzen, die sie nie zuvor gespürt haben, sie auf unterschiedlichen Ebenen wahrnehmen und verwenden, um eine Aufgabe zu bewältigen? Und die Antwort scheint Ja zu sein“. Aber ob diese Art der Sinneswahrnehmung so vielfältig sein könne, wie die Texturen und Gefühle, die wir taktil erkunden können, sei eine offene Frage.

Für eine Person mit einer Prothese oder  Gliedmaßen, deren Nervenbahnen durch eine neurologische Verletzung vom Hirn abgeschnitten sind, erweist e sich als schwierig, natürliche Bewegungen ohne die dazugehörige Sinneswahrnehmung nachzubilden. Obschon es Apparate gebe, die die Patienten mit Lähmungen oder Amputationen unterstützten, so stehe die Fähigkeit, wieder zu fühlen, ganz oben auf der Prioritätenliste, so die Wissenschaftler.

Die sensorische Rückmeldung wiederherzustellen, erfordert die Entwicklung einer „künstlichen“ Sprache der elektrischen Impulse, die das Gehirn als Sinneswahrnehmung interpretieren und als sinnfälliges Feedback bei einer motorischen Aufgabe verwenden kann.

Das Team arbeitet häufig mit Epilepsie-Patienten, die sich einer Operation unterziehen müssen und denen ein ECoG-Gitter auf die Hirnoberfläche appliziert wurde. Über mehrere Tage oder Wochen kontrollieren die Ärzte die Hirnaktivität, um vor der Operation dem Ursprungsort der Epilepsie auf die Spur zu kommen. Einige haben sich in dieser Zeitspanne, in der das Gehirn verdrahtet ist, für wissenschaftliche Studien bereit erklärt, damit grundlegende neurologische Fragen beantwortet werden können. So können die Wissenschaftler herausfinden, welche Teile des Gehirns bei unterschiedlichem Verhalten aktiv sind, was passiert, wenn eine bestimmte Region des Kortex stimuliert wird und sogar wie sich die Plastizität des Gehirns anregen lässt, um Heilungsprozesse in beschädigten Regionen zu fördern. Das Potenzial von ECoG-Elektroden biete mehrere Vorteile: die Signale seien stärker und genauer als von jenen Elektroden, die auf der Kopfhaut platziert würden, aber andererseits weniger invasiv, als von jenen, die in das Gehirn eindringen würden.

Bald wie eine Symphonie?

In der Studie der University of Washington trugen drei Patienten Handschuhe mit Sensoren, die Daten über die Positionen der Finger und Gelenke lieferten. Sie wurden gebeten, in einer Haltung zwischen offener und geschlossener Hand zu verharren, ohne diese Haltung sehen zu können. Das einzige Feedback zur Handhaltung für sie kam von den künstlichen elektrischen Daten des Forscherteams. Öffnete sich die Hand zu weit, erhielten sie keinen elektrischen Reiz. Ballten die Patienten die Hand eher zur Faust, kamen jeweils stärkere elektrische Reize.

Ein Patient erreichte weit mehr als zufällige Genauigkeiten beim Erreichen der Zielposition durch das elektrische Feedback. Die Leistung ließ nach, wenn die Patienten nur zufällige, von der Handposition unabhängige Signale erhielten.

Derzeit benutze man noch sehr primitive Arten von Code, wo man lediglich die Frequenz oder die Intensität der Stimulation verändere, aber dereinst könnte es mehr wie eine Symphonie sein, so Co-Autor Prof. Rajesh Rao. Das würde man für ein natürliches Greifen benötigen, etwa für das Zubereiten eines Essens.

Bild.

Dieses Elektrokortikografie-Netz (ECoG), Epilepsie-Patienten vor der Operation eingesetzt, um elektrische Signale von der Oberfläche des Gehirns aufzuzeichnen und zu übertragen.

Bild: Mark Stone/University of Washington

 

 

 


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