Affen steuern mit Neuroprothese zwei virtuelle Arme gleichzeitig

Die Experimente mit Affen zeigen, dass zweihändige Steuerung neuronal deutlich komplexer ist als die Bewegung nur eines Armes

Schon 2000 hatte der Neurobiologe Miguel Nicolelis mit seinem Team von der Duke University School of Medicine mit Versuchen an Affen begonnen, eine implantierte Gehirnschnittstelle zu entwickeln, um es zu ermöglichen, durch die Abnahme von neuronalen Signalen in motorischen Gehirnzentren Roboter oder Prothesen zu steuern (Mit neuronalen Signalen direkt einen Roboterarm steuern).

Die Affen sehen im Experiment jedoch nur zwei virtuelle Arme aus der Ego-Perspektive, mit denen sie u.a. virtuelle Kugeln berühren sollen. Die Affen selbst, denen zahlreiche Mikroelektroden dauerhaft eingepflanzt wurden, werden bei den Versuchen nicht gezeigt, vermutlich weil man sich damit nicht nur Freunde machen würde. Bild: Laboratory of Dr. Miguel Nicolelis

Seitdem hat Nicolelis gerne auch mit spektakulären Demonstrationen die Entwicklung auch mit menschlichen Versuchspersonen vorangetrieben (Schnittstellen zwischen Mensch und Maschine). So hat er beispielsweise mit einer im m somatosensorischen Kortex implantierten Neuroprothese Ratten eine neue Wahrnehmungsmöglichkeit mit Infrarotlicht ermöglicht (Sechster Sinn durch Neuroprothese?). Beim letzten, auch auf Aufmerksamkeit schielenden Experiment wurden Rattengehirne mit einer Gehirn-zu-Gehirn-Schnittstelle verbunden und Sender- und Empfänger-Ratte neuronal und im Verhalten synchronisiert. So steuert die eine Ratte keinen Roboter mehr, sondern eine andere Ratte, die gewissermaßen zu einem "Fernling" wird.

Der neueste Versuch, beschrieben in der Zeitschrift Science Translational Medicine, bestand darin, Affen, denen Elektroden implantiert worden waren, beizubringen, gleich zwei Hände eines Avatars zu steuern. Ziel ist es, Neuroprothesen für Menschen zu entwickeln, die beide Arme oder Beine etwa wegen einer Verletzung des Rückgrats nicht mehr bewegen können.

Bislang wurden mit Gehirn-Computer-Schnittstellen oder Gehirn-Maschine-Schnittstellen (BMI) nur experimentiert, um eine Prothese zu steuern. Viele Tätigkeiten würden aber zwei Hände benötigen, meint Nicolelis, die gleichzeitigt bewegt werden. Das ist deswegen schwierig, weil das Gehirn nicht einfach die Steuerung der einzelnen Arme zusammenschaltet oder übereinanderlegt, sondern bei gleichzeitiger Bewegung beider Hände andere neuronale Aktivitätsmuster erzeugt.

Zunächst wurden bei den beiden Rhesus-Affen täglich die Signale von 374 bis 497 Neuronen von mehreren Gehirnarealen in den Frontal- und Parietallappen des Cortex gleichzeitig aufgezeichnet. Das stelle einen Rekord dar, schreiben die Wissenschaftler. Den Affen wurden entsprechend 768 bzw. 384 Mikroelektroden in 8 Elektrodenarrays mit jeweils 96 bzw. mit jeweils 48 Elektroden implantiert. Die Signale wurden decodiert und zur Steuerung der virtuellen Arme verwendet. Den Affen wurde beigebracht, in einer virtuellen Umwelt zwei realistisch, aus der Perspektive der ersten Person dargestellte Avatararme mit zwei Joysticks zu steuern, sie auf Objekte zu legen und eine kurze Zeit lang dort liegen zu lassen. Einer der Affen begann ohne Joysticks nur durch passive Betrachtung der Bewegung der Avatar-Arme zu lernen - was für Gelähmte wichtig sein kann, die ja nicht mit Joysticks trainieren können.

Schließlich konnten sie die virtuellen Arme auch mit den neuronalen Signalen direkt steuern, die eigenen Arme zu bewegen. Dabei beobachteten die Wissenschaftler weitreichende Veränderungen in den Cortex-Arealen, was für sie darauf hindeutet, dass die virtuellen Arme in das interne Bild ihres Körpers integriert werden. Man könnte auch sagen, dass das Gehirn den Körper erweitert.

Laboratory of Dr. Miguel Nicolelis

Da viele, räumlich verteilgte Areale an der motorischen Steuerung beteiligt sind, dürfte die Abnahme von Signalen von nur wenigen Neuronen nicht ausreichen, um mittels einer Neuroprothese komplexe motorische Bewegungen exakt steuern zu können. Das ergab sich aus Beobachtungen von einzelnen Neuronen und auch Neuronengruppen, die mit den Bewegungen des linken oder rechten Arm verbunden waren. Aus diesen ließ sich nicht vorhersagen, welche Neuronen oder Neuronengruppen aktiv bei der Steuerung beider Hände gleichzeitig tätig waren. Daraus leiten die Wissenschaftler ab, dass die Benutzung beider Hände einer nicht-linearen, emergenten Dynamik des Gehirns entspricht. (Florian Rötzer)

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