Dr. Oliver Dietrich
Mit Gedankenkraft
Elektrische Gehirnaktivität steuert Computer
Quelle: c't 1999, Heft 6, S. 296-301

Heutzutage freuen sich PC-Benutzer schon, wenn ihr Computer Spracheingaben halbwegs korrekt umsetzt - einen Rechner direkt über Gedanken zu steuern, mutet da wie pure Science-fiction an. Aber in einigen Forschungslabors arbeitet man bereits an Schnittstellen zwischen Gehirn und Computer.
Seit die Regierung der USA die 90er Jahre zur 'Decade of the Brain' erklärte, haben sich weltweit die Anstrengungen vervielfacht, die Funktionsweise des Gehirns zu verstehen. Ein Schwerpunkt dieser Arbeiten ist die Erforschung der Zusammenhänge zwischen mentalen Prozessen und dem Gehirn.
Dabei zeigte sich, daß das Gehirn noch sehr viel komplexer ist, als man sich das vorgestellt hat. Lange gepflegte Ideen wie die einer direkten Zuordnung geistiger Fähigkeiten zu bestimmten Hirnarealen mußten weitgehend aufgegeben werden; überschaubare Schemata wie 'die linke Hirnhälfte ist für das Denken, die rechte für das Fühlen zuständig' haben sich als zu einfach erwiesen.
Vor allem die elektrische Gehirnaktivität hat es den Forschern angetan. Ebenso wie bei den Nerven im Körper erfolgt der Informationstransport zwischen den Neuronen durch sich verändernde Spannungen - und die lassen sich sowohl direkt im Gehirn (mit Tiefenelektroden) als auch in Form des Elektroenzephalogramms (EEG) von der Schädeloberfläche in Echtzeit ableiten Lind auswerten.
Andere wichtige Aspekte der Gehirntätigkeit sind biochemische Prozesse, die man über die Stoffwechselprodukte von Neurotransmittern erfassen kann, sowie metabolische Veränderungen, wie sie die funktionelle Kernspintomographie (fKST) und die Positronen-EmissionsTomographie (PET) sichtbar machen. Mit diesen Verfahren lassen sich interessante Informationen über die Funktionsweise des Gehirns gewinnen; eine Analyse in Echtzeit, wie man sie zur Steuerung eines Computers benötigt, ist jedoch nicht möglich: Zum einen erstrecken sich derartige Veränderungen über mehrere Sekunden bis hin zu Stunden und sind damit zu langsam, um für Steuerungsprozesse nutzbar zu sein; zum anderen ist der technische Aufwand zur Erfassung dieser Prozesse viel zu hoch - eine einzige KernspinAufnahme beispielsweise erzeugt mehrere Megabyte an Daten, aus denen das aktuelle Geschehen im Gehirn aufwendig rekonstruiert werden muß.

Das Gehirn bei der Arbeit
Um das EEG abzuleiten, reicht es hingegen bereits aus, die Differenz zwischen einer aktiven Elektrode auf dem Kopf und einer hirnelektrisch neutralen Referenzelektrode (bevorzugt am Ohrläppchen oder an dem Mastoid genannten Knochen hinter dem Ohr) zu verstärken. Das größte technische Problem ist dabei der weite Frequenzbereich des EEG: Interessante EEG-Phänomene reichen von langsamen Gleichspannungsverschiebungen, die sich über etliche Sekunden aufbauen, bis hin zu dem sogenannten Gamma-Band (bis über 40 Hz). Langsame Potentialveränderungen erfordern Gleichspannungsverstärker, die jedoch für eine Reihe von EEG-spezifischen Artefakten anfällig sind; das Gamma-Band reicht bedrohlich nahe an die allgegenwärtigen 50Hz unseres Wechselspannungsnetzes heran, die außerhalb speziell abgeschirmter Kabinen das EEG-Signal verfälschen. '
Um das EEG in den Computer zu bringen, genügt dann be reits ein AD-Wandler einfacherer Machart. Bei einer - in den meisten Fällen ausreichenden - Digitalisierungsrate von 100 Hz ist auch ein simpler PC den anfallenden Datenmengen problemlos gewachsen.

Gedanken-Ströme
Doch welche Information läßt sich aus den Hirnströmen extrahieren? Diese Frage beschäftigt Forscher seit vielen Jahren. Um es gleich vorwegzunehmen: Das Entziffern von Gedanken ist weder mit dem EEG noch mit Ableitungen im Gehirn möglich. Dennoch lassen sich aus der elektrischen Hirnaktivität bereits etliche Informationen ablesen.
So gibt die vorherrschende Frequenz des Spontan-EEG Auskunft über die Hirnaktivierung (JPG 48k): Schneller Beta-Rhythmus (15 bis 30 Hz) im angeregten Wachzustand, langsamere Alpha-Wellen (um 10 Hz) bei Entspannung, unter 10 Hz (Delta- und ThetaRhythmus) nur im Schlaf. Auf diesem Zusammenhang basieren übrigens die sogenannten 'MindMachines', die durch audio-visuelle Stimulation dem Hirn einen bestimmten Rhythmus 'aufzwingen' und so etwa einen entspannten Zustand induzieren wollen.
Außerdem verbergen sich im Spontan-EEG die sogenannten ereigniskorrelierten Potentiale (EKP), die die elektrische Hirnantwort auf Reize widerspiegeln. Um das EKP auf einen Reiz mit Amplituden von einigen (V aus dem Spontan-EEG mit Amplituden von bis zu 100 und mehr (V zu extrahieren, ist es erforderlich, die hirnelektrischen Reaktionen über mehrere Reizpräsentationen zu mitteln.
Das (nicht reizgebundene) Spontan-EEG mittelt sich dabei zu null; die Reizantwort bleibt übrig. Der damit verbundene Rechenaufwand ist so gering, daß ihn moderne PCs online während einer laufenden Reizdarbietung leisten können.

Wichtig oder nicht?
Die verschiedenen Komponenten des EKP (Spannungspeaks, die über die zeitliche Latenz gegenüber der Reizgabe und ihre Polarität definiert sind) spiegeln Aspekte wie die subjektive Reizbedeutung oder die dem Stimulus entgegengebrachte Aufmerksamkeit wider. So fallen bestimmte Komponenten des EKP auf subjektiv wichtige Reize größer aus. Diesen Mechanismus haben sich amerikanische Forscher zunutze gemacht, um sprech- und bewegungsunfähigen Patienten ein Mittel zur Kommunikation an die Hand zu geben.
Dazu zeigte ein Computer wiederholt verschiedene Buchstabenzusammenstellungen, während er gleichzeitig das durch diese Reize ausgelöste EKP erfaßte. Kombinationen, die einen von dem Patienten gewünschten Buchstaben enthielten, lösten dabei stärkere Reaktionen aus. Auf diese Art konnte der Rechner schließlich erkennen, welchen Buchstaben der Patient meinte. Bei mehrfacher Wiederholung dieser Prozedur konnten die Patienten schließlich ganze Wörter zusammensetzen - wenn auch nur sehr mühsam, da ja jeder einzelne Buchstabe bereits eine mehrfache Darbietung der Reize erforderte.
Hier liegt auch das grundlegende Problem dieses Ansatzes: Bislang ist es nicht möglich, aus der, hirnelektrischen Antwort auf einen einzelnen Reiz verwertbare Informationen zu ziehen, da diese subtilen Reaktionen im Spontan-EEG verschwinden. Ansonsten wäre diese Möglichkeit sehr elegant: Der Computer präsentiert nacheinander die verschiedenen Optionen, die der Anwender in einer konkreten Situation hat (etwa 'Abbrechen, Wiederholen, Ignorieren'). anhand eines Vergleiches der Hirnreaktionen auf jede der Optionen erkennt der Rechner, was der Benutzer im Sinn hat: Der Anwender muß nur wissen, was er will.
Eine andere Schwierigkeit dieses Ansatzes liegt darin, daß das Oberflächen-EEG ein relativ unspezifisches Maß ist. Um eine außerhalb des Schädels meßbare Veränderung der elektrischen Felder zu erzeugen,
müssen mehrere tausend benachbarte Neuronen synchron aktiv sein. Subtile Unterschiede in der Reizverarbeitung bilden sich daher im allgemeinen in den ereigniskorrelierten Potentialen nicht ab. So kann man zwar anhand der elektrischen Hirnreaktion zwischen bedeutsamen und belanglosen Reizen unterscheiden; es ist aber schon kaum mehr möglich festzustellen, ob ein Reiz deshalb bedeutsam ist, weil er eine in der Situation besonders gewünschte Option anzeigt, oder ob er im Gegenteil ganz besonderes unerwünscht ist - bedeutsam sind beide Reizklassen.

Rückgekoppelt
Einen anderen Weg beschreitet die Arbeitsgruppe um Prof. Birbaumer am Institut für Medizinische Psychologie in Tübin gen. Hier experimentiert man bereits seit Jahren mit EEGBiofeedback.
Biofeedback ist eine Technik, die es erlaubt, bewußte Kontrolle über normalerweise nicht bewußt steuerbare Körperfunktionen zu erhalten. Dazu wird eine Körperfunktion - von der Muskelanspannung über die Pulsfrequenz bis zum EEG - von einem Rechner erfaßt und in Echtzeit in Form eines leicht wahrnehmbaren Signals zurückgemeldet - etwa ein Ton, der um so höher ist, je angespannter ein Muskel ist, oder eine Änderung der Bildschirmfarbe von grün nach rot mit steigendem Puls. Die Testperson erhält dann die Aufgabe, über eine Veränderung von Muskelspannung beziehungsweise Pulsfrequenz den Ton abzusenken oder den Bildschirm grün einzufärben.
Mit dieser Methode lernen die meisten Menschen innerhalb relativ kurzer Zeit, körperliche Funktionen zu beeinflussen und später auch ohne externe Rückmeldung Muskeln zu entspannen oder ihre Pulsfrequenz willentlich abzusenken. Biofeedback wird beispielsweise eingesetzt, um Kopfschmerzen zu bekämpfen, die aufgrund von Verspannungen der Nackenmuskulatur entstehen.
Die Tübinger Forscher starteten mit einem Computerspiel: Auf Kommando mußten die Testpersonen langsame negative Potentialverschiebungen über der linken beziehungsweise rechten Hemisphäre aufbauen, die in Bewegungen einer Rakete auf einem Bildschirm
umgesetzt wurden. Aufgabe der Probanden war, die Rakete zu landen - sie durch den Aufbau langsamer negativer Potentiale über der linken oder rechten Hirnhälfte an einen bestimmten Punkt auf dem Bildschirm zu bugsieren. Die meisten getesteten Personen konnten diese Aufgabe nach einigen Übungssitzungen erfolgreich meistem und willentlich die erforderlichen lateralisierten Negativierungen aufbauen.
Praktisch eingesetzt wird das EEG-Biofeedback bereits seit mehreren Jahren in einem Forschungsprojekt zur Behandlung von Epilepsien. Epileptischen Anfällen geht häufig eine großräumige Negativierung des Gehirns als Ausdruck einer übermäßigen neuronalen Aktivierung voraus. Mit Hilfe der Computerrückmeldung lernen betroffene Patienten, das Entstehen dieser Negativierung auch ohne Feedback wahrzunehmen und ihr entgegenzuwirken, um so die neuronale Erregung zu vermindern und den epileptischen Anfall - Ausdruck einer Obererregung von Gehirnstrukturen - zu verhindern.

Das Gehirn spricht
Ebenfalls unter Einsatz des EEG-Biofeedback entwickelt die Tübinger Arbeitsgruppe eine Methode, die es gelähmten Patienten erlaubt, mit Hilfe des Computers zu kommunizieren. Zu einer vollständigen Lähmung des ganzen Körpers (und damit auch Sprechunfähigkeit) kommt es bei der Amyotrophen Lateralsklerose (ALS) oder bestimmten Gehirnerkrankungen, die die geistigen Fähigkeiten der Patienten nicht beeinträchtigen, sie jedoch ohne Möglichkeit der Kommunikation mit der Außenwelt in ihrem Körper einschließen ('locked-in').
Mit Hilfe des Biofeedback  (JPG 33k) lernen die Patienten, willentlich Negativierungen und Positivierungen über dem motorischen Kortex aufzubauen, um einen Cursor auf einem Bildschirm aufwärts oder abwärts zu bewegen. Nun kann man oben und unten auf dem Monitor Alternativen vorgeben, von denen der Patient eine auswählt.
Das können etwa Teile des Alphabets sein, über die man sich in mehreren Schritten bis zu einem einzelnen Buchstaben vorarbeitet, um Wörter und Sätze zu schreiben; der Computer kann diesen Prozeß unterstützen, indem er beispielsweise teilweise geschriebene Wörter selbständig ergänzt. Ebensogut können auf diese Art verschiedene Aspekte der Umgebung gesteuert werden - vom Anschalten des Lichtes bis zum Rufen einer Person.

Mühsam
Natürlich ist gerade das Buchstabieren eine mühselige Angelegenheit, wenn man immer nur zwischen zwei Alternativen wählen kann. Fünf Entscheidungen sind alleine notwendig, um von der Auswahl 'A-M' oder 'N-Z' bis zu einem einzelnen Buchstaben zu gelangen. Da jede Wahl mehrere Sekunden benötigt, wird das Schreiben so zu einer sehr langwierigen Angelegenheit.
Einige Testpersonen haben allerdings schon erfolgreich gelernt, gleichzeitig zwei verschiedene Aspekte ihrer Himaktivierung zu kontrollieren, indem sie neben der allgemeinen kortikalen Negativierung oder Positivierung eine gezielte Asymmetrie zwischen den Hirnhälften aufbauen. Wenn der Computer diese beiden Aspekte in eine Auf/ab- und Links/rechts-Bewegung auf dem Bildschirm umsetzt, lassen sich vier Auswahlmöglichkeiten gleichzeitig bearbeiten. Damit ließe sich der Entscheidungsbaum deutlich verkürzen. Allerdings benötigt der dazu erforderliche Lernprozeß sehr viel Zeit und führt nicht immer zum Erfolg.

In die Tiefe
Einen anderen Weg wählten zwei Neurochirurgen der Emory University in Atlanta. Statt auf das Oberflächen-EEG zurückzugreifen, implantierten sie zwei vollständig gelähmten Patienten jeweils zwei Elektroden in den motorischen Kortex. Diese Elektroden - Glaskegel von der Größe einer Kugelschreiberspitze - enthalten neurotrophe Faktoren, die die Neuronen in der Umgebung der Elektroden veranlassen, in die Elektrode hineinzuwachsen und dort über Synapsen Kontakte herzustellen.
Nach einigen Wochen ist in diesen 'neurotrophen Elektroden' ein Stück Gehirn mit Verbindung zum Kortex entstanden, dessen Aktivität sich über Sensordrähte in den Elektroden erfassen läßt. Kleine Vertiefungen in den Schädelknochen nehmen für jede Elektrode einen Sender auf, der die neuronale Aktivität an einen Verstärker außerhalb des Schädels weiterleitet; von dort erfolgt die Übertragung an den Computer, wo sich ein Signalprozessor um die Weiterverarbeitung kümmert. Die Energieversorgung des Systems erfolgt berührungsfrei über eine Induktionsspule, die in eine Mütze eingearbeitet ist. So kann der Schädel nach der Implantation wieder vollständig geschlossen werden; es ist nicht erforderlich, Drähte durch Haut und Schädelknochen zu führen.
Diese Methode hat gegenüber dem Oberflächen-EEG einige Vorteile. Zunächst kann man die Hirnaktivität sehr viel spezifischer erfassen: Veränderungen im Oberflächen-EEG gehen auf großflächige Neuronenaktivität zurück; mit der 'neurotrophen Elektrode' läßt sich hingegen die Arbeit einiger weniger Neurone beobachten.
Der motorische Kortex (JPG 33k) bietet dazu den Vorteil einer topographischen Organisation (JPG 66k): Der Körper ist hier wie auf einer Karte repräsentiert, wobei benachbarte Regionen des Motorkortex auch benachbarten Körperregionen entsprechen. Das Bewegen des linken Mittelfingers beispielsweise ist immer mit Neuronenaktivität in einer eng abgegrenzten Region des rechten motorischen Kortex verbunden (die linke Hirnhälfte steuert die rechte Körperseite und umgekehrt). Stimuliert man diese Region elektrisch oder mit einem stark-en Magnetfeld, zuckt der linke Mittelfinger; Stimulation der angrenzenden Regionen führt zu Bewegungen des linken Zeige- oder Ringfingers.
Um Aktivität in einer bestimmten Region des motorischen Kortex zu erzeugen, muß man lediglich den entsprechenden Körperteil bewegen; es genügt sogar schon, intensiv an die entsprechende Bewegung zu denken - was einfacher ist. als etwa langsame Potentiale in bestimmten Kortex-Arealen aufzubauen. Auch gelähmten Menschen gelingt dies mit etwas Übung; schließlich muß dazu lediglich 'normale' neuronale Aktivität in einem Teil des Gehirns erzeugt werden, wie man es für willentlich gesteuerte Bewegungen gewohnt ist.

An oder aus
Die Aktivität eines einzelnen Neurons hat allerdings ein ganz anderes Aussehen als das Oberflächen-EEG. Während sich die Aktivierungsunterschiede größerer Neuronenverbände im EEG auf Frequenz und Amplitude des gemessenen Signals auswirken, kennt ein einzelnes Neuron nur zwei Zustände: An oder Aus; entweder sendet das Neuron gerade ein sogenanntes Aktionspotential (in Form einer kurzfristigen Spannungsveränderung immer gleicher Form) aus - es 'feuert' - oder es zeigt keine Aktivität.
Bevor man nun aber vorschnell eine Analogie zu der binären Funktionsweise eines Computers konstruiert: Ein Neuron kann durchaus in unterschiedlichem Ausmaß aktiviert sein - dann ändert sich die Häufigkeit und das zeitliche Muster der Aktionspotentliale. Möchte man neuronale Erregungsmuster zur Steuerung heranziehen, muß der Computer nicht einfach nur binäre Werte registrieren, sondern die wesentlich komplexeren zeitlichen Muster erkennen können.
Dazu müssen die Patienten zunächst lernen, willentlich Aktivität in dem abgeleiteten Hirn gewebe zu erzeugen. Die Trainingsprozedur ist dabei ähnlich wie bei den langsamen Hirnpotentialen der Tübinger Forscher: Die Aktivität in den neurotrophen Elektroden wird akustisch rückgemeldet, der Patient übt, das neuronale Geschehen durch die Vorstellung von Bewegungen bestimmter Körperteile zu beeinflussen.
Um den Lernprozeß zu erleichtern, werden die beiden Elektroden an zwei Stellen des Motorkortex plaziert, die vorgestellte Bewegungen unterschiedlicher Gliedmaßen von vornherein besonders stark aktivieren. Dazu stellen sich die Patienten Bewegungen vor, während mit einem funktionellen Kernspintomographen die Hirnaktivität erfaßt wird. Die Elektroden werden dann an Stellen im Motorkortex angebracht, die während zweier unterschiedlicher Bewegungen besonders aktiv sind.
Der Computer setzt die Signale der beiden Elektroden in Links/rechts- und Auf/ab-Bewegungen eines Cursors auf dem Bildschirm um. Die Patienten können so beliebige Stellen auf dem Bildschirm ansteuern, beispielsweise um vorgefertigte Sätze zu 'sprechen' oder Aktionen auszulösen.

Und die Zukunft?
In Atlanta macht man sich bereits Gedanken darüber, wie es weitergehen könnte. Vor allem zwei Ideen wollen die Forscher weiterverfolgen: Zum einen möchte man die Computersteuerung so weit perfektionieren, daß es möglich wird, das Internet zu nutzen. EMail und das World Wide Web bieten Kommunikations- und Kontaktmöglichkeiten für Patienten, denen aufgrund ihrer Behinderung jede direkte Kommunikation unmöglich ist.
Zum anderen will man versuchen, die neuronalen Sienale aus dem Gehirn zur Steuerung von Prothesen und gelähmten Gliedmaßen einzusetzen. Bereits jetzt ist es möglich, durch elektrische Muskelstimulation gelähmte Gliedmaßen zu bewegen. Wenn es gelingt, diese externe Steuerung mit der Aktivität des motorischen Kortex zu verbinden. könnten beispielsweise Querschnittsgelähmte eine nahezu natürliche Kontrolle über ihre Gliedmaßen zurückgewinnen.
Allerdings ist es bis dahin noch ein weiter Weg. Immerhin, die Idee klingt faszinierend: Ein Computer erfaßt und interpretiert die neuronale Aktivität im Motorkortex und setzt sie in passende elektrische Impulse an Muskeln um. Der Patient denkt einfach daran, sein Bein zu bewegen, und der Computer bewegt das Bein entsprechend. Das funktioniert theoretisch genauso mit Prothesen. Cyborgs - bislang nur Thema der Sciencefiction - werden damit zumindest vorstellbar.

Fazit
Der gedankenlesende Computer ist zwar noch in weiter Ferne, aber einiges ist heute schon möglich: Menschen können lernen, ihre elektrische Hirnaktivität willentlich so zu beeinflussen, daß sie darüber Computer ansteuern können.
Das außerhalb des Schädels ableitbare Oberflächen-EEG hat dabei den Vorteil, daß es sich einfach und mit bescheidenem technischen Aufwand erfassen läßt. Allerdings wird das EEG wohl nie so spezifische Information liefern können, daß sich damit eine sehr feine Computersteuerung realisieren ließe - bereits eine zweidimensionale Cursorsteuerung (links-rechts, auf-ab) erweist sich als schwierig. Und die direkte Extraktion relevanter Information aus den hirnelektrischen Reaktionen auf einzelne Reize - was der Idee des Gedankenlesens am nächsten käme - ist bislang nicht möglich, da diese Reaktionen im Spontan-EEG verschwinden.
Greift man mit Tiefenelektroden direkt auf die Aktivität einzelner Neuronen zu, hat man zwar ein viel spezifischeres Signal, dessen bewußte Kontrolle auch leichter zu erlernen ist. Aber wer jetzt schon die Visionen der Cyberpunks wahr werden sieht und von einer direkten Schnittstelle zwischen Gehirn und Computer träumt: Der normale PC-Anwender wird sich in absehbarer Zukunft sicher noch keinen Chip ins Gehirn implantieren lassen. Zur Zeit ist nicht abzusehen, ob die direkte Computersteuerung mit dem Gehirn überhaupt jemals so große Vorteile gegenüber einer herkömmlichen Bedienung bieten wird, daß sie das Risiko einer Gehirnoperation bei Gesunden aufwiegen.
Für Patienten, die aufgrund einer schweren Behinderung nicht mehr 'normal' mit der Außenwelt kommunizieren können, stellt die Steuerung eines Computers mit Hilfe der elektrischen Hirnaktivität jedoch die einzige Möglichkeit dar, mit ihrer Umwelt in Kontakt zu treten; und hier zeichnen sich bereits anwendbare Lösungen ab, sowohl unter Verwendung des Oberflächen-EEG als auch mit Elektroden, die ins Hirn implantiert werden. (odi)
 

Zurück!

hirn/hirn-pc.html 2MAY99