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04.10.2019

Langlebige Gehirn-Maschine-Schnittstelle bei Querschnittsgelähmtem

Anlass

Ein Patient – an Armen und Beine gelähmt – steuert mit seinen Gedanken ein Robotersystem und kann darin Schritte gehen und seine Arme bewegen.

Dieses Ziel, schwergelähmten Menschen Mobilität im Alltag zu verschaffen, macht Gehirn-Maschine-Schnittstellen (Brain-Machine-Interfaces, BMI) seit Jahren zu einem Forschungsfeld der Medizintechnik. Gehirnströme des Patienten werden abgelesen und an einen Computer übertragen. Der entschlüsselt die Signale und leitet sie als motorische Befehle an Geräte oder Roboter weiter. Diese Systeme sollen es Betroffenen ermöglichen, Prothesen mit Hilfe ihrer Gedanken zu steuern.

In einer Studie stellten Wissenschaftler der französischen Universität Grenoble ein sogenanntes Exoskelett vor, eine Art Roboterskelett, das ein querschnittsgelähmter Patient mit seinen Gedanken steuern kann. Dazu haben die Forscher zwei Geräte zur Elektrokortikographie (englische Abkürzung: ECoG) auf das Gehirn implantiert – sie liegen auf der harten Hirnhaut auf und ragen nicht ins Gehirn hinein. Die Geräte liegen direkt über den Hirnarealen, die für Empfindungen und motorische Bewegungen zuständig sind (sensomotorischer Kortex). Sie zeichnen mit jeweils 64 Elektroden die Hirnströme dieser Regionen auf. Fokussiert sich der Patient gedanklich darauf, ein Bein bewegen zu wollen, zeichnen die Implantate die Signale auf und leiten sie drahtlos an einen Computer-Algorithmus weiter, der die Informationen in motorische Befehle übersetzt.

Auf diese Weise konnte dieser gelähmte Patient sowohl das Exoskelett als auch einen digitalen Avatar steuern. Die Forscher dokumentierten die Bewegungsfortschritte sowie die Trefferquote der Übersetzung von Gedanken in Bewegungen über eine zweijährige Testphase. Sowohl der langfristige Einsatz der invasiven Implantate als auch die hohen erreichten Freiheitsgerade der Armbewegungen und die gleichzeitige Einbeziehung aller vier Gliedmaßen stellen einen Fortschritt in der Forschung dar. Eine klinische Anwendung eines solchen Systems zur Therapie von Querschnittsgelähmten liegt jedoch in weiter Ferne. Die Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler im Fachmagazin „The Lancet Neurology“ (siehe Primärquellen).

Den Punkt der klinischen Relevanz greift auch ein begleitender Kommentar auf (siehe Primärquellen): Die Konzentration der Forschung auf die Bewegungsfähigkeit von Querschnittsgelähmten greife zu kurz und missachte drängende Probleme dieser Patientengruppe, wie die aktive Kontrolle der Blase oder des Darms, heißt es dort kritisch.

Übersicht

     

  • Prof. Dr. Gernot R. Müller-Putz, Leiter des Instituts für Neural Engineering, Technische Universität Graz, Österreich
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  • Prof. Dr. Surjo R. Soekadar, Einstein Professor und Oberarzt, Charité – Universitätsmedizin Berlin
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  • Dr. Mirko Aach, Leiter der Abteilung für Rückenmarksverletzte, Universitätsklinikum Bergmannsheil, Bochum
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  • Dr. Philipp Kellmeyer, Facharzt für Neurologie, Universitätsklinikum Freiburg und Mitarbeiter im Forschungsschwerpunkt Responsible Artificial Intelligence am Freiburg Institute for Advanced Studies (FRIAS), Albert-Ludwigs Universität Freiburg
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  • PD Dr. Rüdiger Rupp, Leiter der Sektion Experimentelle Neurorehabilitation, Klinik für Paraplegiologie, Universitätsklinikum Heidelberg (zu technischen Aspekten)
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  • Prof. Dr. Norbert Weidner, Ärztlicher Direktor der Klinik für Paraplegiologie, Universitätsklinikum Heidelberg (zu klinischen Aspekten)
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Statements

Prof. Dr. Gernot R. Müller-Putz

Leiter des Instituts für Neural Engineering, Technische Universität Graz, Österreich

„Es ist neu, dieses Gerät im Menschen implantiert zu sehen. Und das sogar gleich zwei Mal bei einem Patienten – links und rechts, was sicher ein Novum ist. Die Entwicklung eben dieses Gerätes zur Elektrokortikographie (ECoG) an sich ist auch relativ neu und stammt aus Grenoble, dem Standort der Arbeitsgruppe.“

„Ich kenne keine Publikation, die genau dieses Gerät bisher beim Menschen implantiert vorgestellt hat. Im Vergleich gibt es noch eine Arbeitsgruppe rund um Nick Ramsey aus Utrecht in den Niederlanden, die jedoch ein Gerät von einem anderen Hersteller benutzen.“

„Neu ist auch, die mehrdimensionale Kontrolle pro Arm abzuleiten und zu dekodieren (also die neuronalen Signale in Signale für das Exoskelett zu übersetzen; Anm. d. Red.) – egal, ob das der Video-Avatar oder das Exoskelett ist. Das haben wir bisher noch nicht gesehen.“

„Es ist auch neu, ein komplettes Exoskelett, das alle vier Gliedmaßen umfasst, mit Hilfe von ECoG-Signalen anzusteuern. Es gibt schon mehrdimensionale Steuerungen von intrakortikalen Ableitungen, also ins Gehirn eindringenden Elektroden, wie es zum Beispiel eine Arbeitsgruppe aus Pittsburgh mehrfach gezeigt hat.“

„Zur Performance des Systems kann ich wenig sagen. Der Patient erzeugt schon viele falsch-positive Bewegungen des Exoskeletts (Bewegungen, die er eigentlich nicht intendiert hat; Anm. d. Red.), wie man aus der Tabelle 5 entnehmen kann. Die Leistung des Systems ist allgemein sehr dünn dargestellt. Was diese Angaben genau heißen, ist schwer nachzuvollziehen.“

„Meines Erachtens ist es wichtig, diesen Schritt in der Forschung zu machen, aber diese Anwendung ist noch weit davon entfernt, klinisch relevant zu sein; an dieser Stelle würde ich mich den Ausführungen aus dem Editorial anschließen. Ich glaube, dass man mit einfacheren Geräten gerade diesem hier präsentierten Patienten besser hätte helfen können. Ich wage außerdem zu bezweifeln, wie auch das Editorial, dass das Gehen für einen Tetraplegiker die wichtigste Funktion ist. Der Rollstuhl ist nach wie vor eine gute Option. Deshalb haben wir uns bei unserer Arbeit mit Brain-Computer-Interfaces und Neuroprothetik immer auf die Funktionen von Arm und Hand konzentriert.“

„Die Relevanz der Ergebnisse dieser Forschung ist auf jeden Fall gegeben. Wir werden diese Ergebnisse – wenn sie hoffentlich noch in weiteren Publikationen etwas detaillierter dargestellten werden – auch für unsere Forschung nutzen können.“

Wie schätzen Sie die Relevanz der Ergebnisse für weitere Bereiche des Brain-Machine-Interface außerhalb der Motorik ein? Beispielsweise, um Sprache abzuleiten oder sogar wieder ins Gehirn „hochzuladen“, siehe Elon Musk und Neuralink.
„Bei der Sprache braucht man auch sehr viel Motorik, deshalb ist auch eine direkte Relevanz der Ergebnisse zur Motorik gegeben. Außerdem basieren Sprache- und Silbenerkennung meist auch auf ECoG-Signalen. Das hat auch über die Motorik hinaus eine Relevanz für andere Bereiche.“

„Fortschrittlich für die Forschung ist an dieser Arbeit außerdem, dass die Elektroden direkt über den Bereichen angebracht wurden, die von Interesse sind. In anderen ECoG-Forschungen, beispielsweise bei ohnehin offen am Gehirn operierten Epilepsie-Patienten, wurden die Geräte aus anderen Gründen implantiert und daraus Ergebnisse abgeleitet.“

„Die Frage ist aber, mit wie vielen Leuten man diese spezifischen ECoG-Versuche überhaupt machen kann. Sie sind einerseits sehr aufwendig und andererseits bleibt fraglich, inwiefern der Proband von einem solchen Experiment profitiert. Ein EEG-Gerät (Elektroenzephalographie; Anm. d. Red.) könnte man beispielsweise einfach wieder vom Kopf herunternehmen, eine offene Operation am Gehirn ist schon eine andere Sache. Dafür ist aber die Signalqualität und damit die Erkenntnistiefe aus EEG um einiges schlechter bei einem solchen ECoG.“

„In Zukunft werden meines Erachtens non-invasive und invasive Brain-Computer-Interfaces gleichermaßen verfügbar sein, damit man das Mittel auf die Bedürfnisse des Patienten anpassen kann.“

Prof. Dr. Surjo R. Soekadar

Einstein Professor und Oberarzt, Charité – Universitätsmedizin Berlin

„Die Ergebnisse dieser Arbeit sind ein wichtiger Meilenstein im medizinischen Einsatz von Neurotechnologie, speziell von neural-gesteuerten Exoskeletten. Neu ist die Tatsache, dass ein komplett kabelloses, implantierbares System über einen Zeitraum von 24 Monaten verwendet wurde, um beispielsweise ein Ganzkörper-Exoskelett zu steuern. Die Hirnsignale wurden hierbei nicht von Mikroelektroden aufgezeichnet, sondern von einem Elektroden-Grid (ein Gerät, auf dessen Oberfläche 64 Elektronen regelmäßig angeordnet sind; Anm. d. Red.), das auf die Hirnoberfläche aufgelegt wurde.“

„Es handelt sich um eine Machbarkeitsstudie, deren Methoden noch weit von einer breiten klinischen Anwendung entfernt sind. Ein solches System ist in erster Linie für Schwerstgelähmte geeignet, also Menschen, die vom Hals abwärts gelähmt sind. Die Implantation eines Elektroden-Grids in den Schädel ist nicht ganz risikolos. Chronische Erkrankungen, wie Bluthochdruck oder Diabetes, sowie ein geschwächtes Immunsystem können dieses Risiko zusätzlich erhöhen. Entsprechend wurden in die Studie eher junge Personen aufgenommen, die körperlich in gutem Zustand waren. Neben dem Einsatz eines aktiven Exoskeletts besteht aktuell keine andere effektive Behandlungsmöglichkeit, um schwerstgelähmte Menschen zu mobilisieren.“

„Eine andere Frage betrifft die Steuerung des Systems. Um auch bei schwerer Lähmung komplexe Bewegungen eines Exoskeletts oder Roboters selbstständig steuern zu können, ist derzeit die Implantation von Elektroden die effektivste Lösung. In Berlin arbeiten wir an einem nicht-invasiven Ansatz, bei dem lediglich die sogenannte Zielintention erkannt [1] und der Rest einer Künstlichen Intelligenz überlassen wird. Diese steuert dann das Exoskelett ebenso virtuos wie präzise.“

„Trotz Implantation war die in der vorliegenden Arbeit berichtete neuronale Steuerung des Exoskeletts nicht perfekt. Das ist nicht überraschend, weil derart abgeleitete Hirnaktivität immer auch eine gewisse Varianz aufweist. Im Alltag kann dies zu einem ernsten Problem werden. Um Unfälle zu vermeiden, ist es daher enorm wichtig, dass falsche Bewegungen mittels einer Veto-Funktion sofort unterbrochen werden können. Wegen der erwähnten Varianz kann eine solche Veto-Funktion allerdings bisher noch nicht über eine Hirn-Schnittstelle gewährleistet werden [2].“

„ECoG-Elektroden (Elektrokortikographie; Englisch: electrocorticography, ECoG; Anm d. Red.) werden in erster Linie bei Epilepsie-Patienten zu diagnostischen Zwecken eingesetzt. Die Methode ist mittlerweile sehr gut etabliert und wird weltweit eingesetzt. In der Regel werden diese Elektroden jedoch nach kurzer Zeit wieder entfernt. Das in der Studie eingesetzte Elektroden-Grid hingegen wurde für den langfristigen Einsatz entwickelt. Es ist völlig kabellos und kann komplett implantiert werden, sodass kein Kabel aus dem Schädel läuft. Solche Kabel sind häufig Grund für Infektionen. Durch die komplette Implantation kann so zumindest das Risiko von Infektionen reduziert werden. Der Ansatz an sich ist allerdings nicht neu. Voll-implantierbare ECoG-Elektroden werden auch von anderen Laboratorien entwickelt und eingesetzt. Dadurch, dass die ECoG-Elektrode keinen direkten Kontakt zu einzelnen Nervenzellen aufnehmen kann, ist diese Methode der Implantation von Mikroelektroden unterlegen. Die Autoren konnten zwar zeigen, dass monatelanges Training dazu führt, dass das System immer zuverlässiger funktioniert und auch komplexere Bewegungen gesteuert werden können, doch dies ist mit Mikroelektroden wesentlich schneller zu erreichen. Die Klassifikation von Hirnaktivität mittels Brain-Computer-Interface basiert auf einem robusten, gut etablierten Verfahren. Bisher ist nicht bekannt, wie lange die implantierte ECoG-Elektrode im Schädel des Patienten verbleiben kann. Da die Einwilligung des Patienten erforderlich ist, um die Elektrode wieder zu entfernen, wird die Elektrode voraussichtlich solange implantiert bleiben, bis sie ihren Geist aufgibt. Bei einem der beiden Studien-Patienten funktionierte das System nicht. Dies entspricht einer 50-prozentigen Ausfallquote. Die Autoren gehen nicht weiter darauf ein, was der genaue Grund für den Systemausfall war.“

„Gehirn-Computer-Schnittstellen können ein Segen für Schwerstgelähmte sein, die sonst keine Möglichkeit haben, zu kommunizieren oder mit ihrer Umwelt zu interagieren. Zahlreiche Studien zeigen zudem, dass der wiederholte Einsatz von Gehirn-Computer-Schnittstellen zu einer funktionellen und strukturellen Reorganisation des Gehirns führen kann, die mit der Verbesserung von Hirnfunktionen einhergeht. Auch in der besagten Studie kam es zu diesen Umbauvorgängen, die nach wochenlangem Training unter anderem zu einer verbesserten Kontrolle des Exoskeletts führte. Es ist vorstellbar, dass dieser Effekt von Gehirn-Computer-Schnittstellen auch in der Behandlung anderer Erkrankungen eingesetzt werden kann, etwa im Bereich psychischer Störungen, wie Depressionen, Angststörungen, ADHS oder Suchterkrankungen. Daran arbeiten wir derzeit an der Charité und werden dabei vom Europäischen Forschungsrat unterstützt.“

„Für Gesunde ist diese Technologie bisher wenig attraktiv. Es ist zwar tatsächlich möglich, gehörte oder produzierte Sprache mittels ECoG-Elektroden-Grid aus dem Gehirn auszulesen, aber wer würde sich dafür einer Operation unterziehen? An der Charité arbeiten wir daher an Strategien, die keine Operation erfordern. Zusammen mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) entwickeln wir gerade ein nicht-invasives Brain-Computer-Interface auf Basis von sogenannten Quantensensoren. Wir erwarten, dass in Zukunft Technologien zur Verfügung stehen, die eine OP entbehrlich machen.“

„Der Einsatz von etwa Mikroelektroden für Brain-Computer-Interfaces ist mittlerweile gut etabliert und wurde vielfach auch beim Menschen durchgeführt. Zum Einsatz kam das sogenannte Utah-Array mit 96 feinen Mikroelektroden. Neuralink in den USA möchte diesen Ansatz nun skalieren und ein leistungsstärkeres System mit 3000 Elektroden entwickeln. Die möglichen Anwendungen, die sich daraus ergeben, sind jedoch noch weitgehend unklar. Bisher existiert keine nicht-invasive Methode, mit der die Aktivität einzelner Neuronen gemessen werden kann. Interessanterweise geht es (zumindest vordergründig) weder Neuralink noch Facebook um medizinische Anwendungen, sondern vor allem um sogenanntes Human-Enhancement. Hierbei steht die Steigerung oder Erweiterung der menschlichen Leistungsfähigkeit im Vordergrund. Facebook möchte zum Beispiel, dass Nachrichten direkt ins Smartphone gedacht werden, und Elon Musk träumt davon, dass man sich Fähigkeiten, zum Beispiel Kung Fu, über einen App-Store direkt ins Gehirn hochlädt.“

„Bei medizinischen Anwendungen sehe ich den Einsatz von Gehirn-Computer-Schnittstellen, einschließlich implantierbarer Systeme, für ethisch geboten, wenn sie die Autonomie und Selbstbestimmung des Menschen verbessern und es keine anderen Behandlungsoptionen gibt [1]. Selbstverständlich müssen beim Einsatz von Neurotechnologien zahlreiche neuroethische Aspekte beachtet werden. Damit haben wir uns in den letzten Jahren eingehend beschäftigt und die wichtigsten Herausforderungen in einem Science-Artikel skizziert [2]. Es liegt nahe, dass der Einsatz von Gehirn-Computer-Schnittstellen im großen Stil, wie sie Facebook oder Neuralink vorschweben, in der Öffentlichkeit diskutiert werden muss und bestimmte rechtliche Leitplanken gezogen werden müssen, um unsere Freiheitsrechte und Selbstbestimmung nicht aufs Spiel zu setzen.“

Dr. Mirko Aach

Leiter der Abteilung für Rückenmarksverletzte, Universitätsklinikum Bergmannsheil, Bochum

„Die Ergebnisse der Arbeit sind dahingehend neu, dass ein von den Halswirbeln abwärts gelähmter Patient über epidural implantierte Elektroden (Elektroden, die auf die harte Hirnhaut aufgelegt werden; Anm. d. Red.) ein Exoskelett für alle vier Extremitäten mit seinen Hirnströmen steuern und zusätzlich über dieses System im häuslichen Umfeld einen visuellen Avatar zu Trainingszwecken nutzen kann.“

„Die klinische Relevanz ist derzeit äußerst eingeschränkt, da diese proof-of-concept-Studie noch keine flächendeckende Einsatzmöglichkeit eröffnet. Zusätzlich hat der Patient noch keine Möglichkeit, ein solches System alltäglich zur Verbesserung der Autonomie zu nutzen. Ohne das System verbleibt der Patient genauso gelähmt wie vor der Studie. Es wird lediglich die prinzipielle Machbarkeit einer Kombination von Brain-Computer-Interface und Exoskelettsteuerung gezeigt. Die Risiken einer epiduralen Implantation sind nicht zu unterschätzen. Immerhin sind zwei Studienpatienten vorgesehen gewesen, bei nur einem davon hat das System funktioniert. Prinzipiell drohen Wundinfektionen und Implantatversagen.“

„Tatsächlich ist die Anwendung der epiduralen ECoG beim Menschen für die Steuerung eines Vier-Extremitäten-Exoskeletts neu. Die Grenzen liegen in der alltäglichen Anwendbarkeit. Neukalibrierungen waren jeweils nach etwa sieben Wochen erforderlich. Insofern wäre ein solches System ausschließlich unter engmaschiger medizinischer Überwachung einsetzbar. Eine Aussage zur Haltbarkeit der Elektroden kann nicht ohne weiteres getätigt werden. Bekannt ist jedoch, dass zum Beispiel durch Korrosion oder Lageveränderungen die Funktion der Elektroden eingeschränkt werden kann. Die genauen Gründe für die Fehlfunktion bei dem zweiten Patienten sind nicht bekannt.“

„Prinzipiell sind verschiedene Anwendungen denkbar. Hierbei stehen durchaus auch für den Patienten relevantere Funktionen zur Diskussion. Bereits seit längerer Zeit besteht die Möglichkeit, einen Roboterarm zu steuern, welcher zum Beispiel eine Tasse zum Mund führen kann. Weiterhin gibt es Ansätze, bei denen ein Elektrorollstuhl gesteuert werden kann. Andere Schnittstellenmöglichkeiten liegen zum Beispiel in der Nutzung eines Computers. Hierbei stehen nicht nur querschnittgelähmte Patienten im Fokus, sondern auch Patienten, die ein Schädel-Hirn-Trauma, neurodegenerative Erkrankungen oder einen Schlaganfall erlitten haben.“

„Prinzipiell steht der Wunsch, wieder laufen zu können, bei allen frisch Querschnittsgelähmten an oberster Stelle. Zahlreiche Studien zeigen jedoch, dass die Begleiterscheinungen der Querschnittslähmung in Form von fehlender Sensibilität, Blasen- und Mastdarmstörungen und Schmerzen, die Gefahr von Druckstellen sowie die Spastik im Verlauf die größeren Einschränkungen im Alltag mit sich bringen. Insofern ist eine invasive experimentelle Studie zur Wiederherstellung der Bewegung der vier Extremitäten im Rahmen des Exoskeletts rein wissenschaftlich hoch interessant, aber ohne jeden funktionellen Nutzen für den querschnittsgelähmten Studienteilnehmer. Mit Beendigung der Studie hat sich an der ursprünglichen Lähmungssituation nichts verändert; die oben genannten maßgeblichen Einschränkungen durch eine Querschnittlähmung sind in keiner Weise Gegenstand der Studie gewesen.“

Dr. Philipp Kellmeyer

Facharzt für Neurologie, Universitätsklinikum Freiburg und Mitarbeiter im Forschungsschwerpunkt Responsible Artificial Intelligence am Freiburg Institute for Advanced Studies (FRIAS), Albert-Ludwigs Universität Freiburg

„Aus wissenschaftlicher Sicht sind die Ergebnisse beachtlich. Zum einen demonstriert die Arbeit die vollständige Integration eines epiduralen Elektrodensystems zur Ableitung von bioelektrischer Gehirnaktivität innerhalb des Schädels, drahtloser Signalübertragung (und somit ohne ableitende Drähte nach außen) und Verwendung der Signale zur Steuerung von computerbasierten Aufgaben und eines tragbaren Robotersystems (Exoskelett) mit Ansteuerung von vier Gliedmaßen. Im Vergleich zu anderen implantierbaren Elektrodensystemen ist die Platzierung der Elektroden auf der harten Hirnhaut (epidural) ein Vorteil, da – auch weil die harte Hirnhaut erhalten bleibt – das Risiko für eine Entzündung von Gehirngewebe verringert wird.“

„Ganz allgemein sind Brain-Computer-Interfaces (BCI) für Patienten geeignet, die einen wesentlichen Anteil der Kontrolle über Bewegungen oder Sprache verloren haben, beispielsweise aufgrund einer Rückenmarksverletzung (wie im Fall der Studie), aber auch infolge eines Schlaganfalls oder fortschreitenden Erkrankungen des Nervensystems wie Motoneuronerkrankungen. Wichtig ist dabei – und dies wird im Kommentar auf die Studie von Tom Shakespeare in ‚The Lancet Neurology‘ zurecht betont – die potenziellen Nutzer solcher Hilfstechnologien möglichst früh und umfassend in die Entwicklung und klinische Anwendungsforschung einzubeziehen, um deren Prioritäten und Wünsche an die Technik zu verstehen und einbeziehen zu können.“

„In der Studie wird von Patienten mit Querschnittsverletzung des Rückenmarks auf Höhe des Halses berichtet, die eine ausgeprägte Einschränkung der Beweglichkeit haben. Wichtig ist für die weitere Forschung – neben der patientenzentrierten Forschung –, dass noch keine Hilfstechnologie existiert, mit der die Patient*innen bestimmte Aufgaben hinreichend zufriedenstellend umsetzen können. Sonst geht diese kostenintensive Forschung möglicherweise an den Bedürfnissen der Patient*innen vorbei.“

„Wichtig ist, dass das in der Studie vorgestellte System – wie die Autor*innen selbst schreiben – keine Behandlung oder Therapie der zugrundeliegenden Erkrankung beziehungsweise Verletzung darstellt, sondern eine reine Hilfstechnologie – sogenannte assistive Technologien. Neben solchen technologischen Assistenzsystemen, welche herkömmliche (oder aufwendig elektrifizierte) Rollstühle, Krücken und ähnliches letztlich auch darstellen, gibt es auch Therapieansätze, in der die Elektroden, die die Gehirnaktivität ableiten, auch die Möglichkeit zur elektrischen Stimulation von Gehirngewebe haben (Neurostimulation). Das Ziel eines solchen Ansatzes, der zum Beispiel auch adaptiv im geschlossenen Regelkreis (sogenannte closed-loop Verfahren) erfolgen kann, ist dabei, Anpassungsprozesse auf der Ebene des Nervengewebes (Neuroplastizität) und somit die Erholung oder Anpassung der Funktionsfähigkeit des Gehirns nach Verletzungen und anderen Krankheitsprozessen zu fördern. Bei einer Querschnittslähmung wäre ein solcher Ansatz jedoch wenig zielführend, da durch die Verletzung des Rückenmarks die Leitungsbahnen zur Informationsübermittlung vom Gehirn an den Rest des Körpers gestört bis gänzlich unterbrochen sind.“

„Der Patient in der Studie, bei dem das System funktionierte, hatte in erster Linie den Vorteil, die Fortschritte innerhalb des Forschungsprojekts selbst mitgestalten zu können: So kann die Bewältigung der ihm gestellten Aufgaben und Verbesserung der Kontrolle der spielbasierten Steuerung von Avataren im Computer bis hin zur mehrdimensionalen Steuerung der Gliedmaßen des Exoskeletts eine Quelle von Freude und Optimismus sein – auch im Hinblick auf zukünftig ausgereiftere technische Systeme. Medizinisch hat die Elektrodenimplantation seine zugrundeliegende Krankheit (Querschnittslähmung) weder verbessert noch verschlechtert.“

„Die medizinischen Risiken sind: das allgemeine Narkoserisiko im Rahmen der Operation; eine Infektion der Hirnhaut, des Schädelknochens, oder Weichteilgewebes, gegebenfalls mit schwerwiegenden Folgeschäden bis hin zum Tod; eine dauerhafte Verletzung von Gehirngewebe durch die Operation selbst oder das Implantat sowie eine unzureichende Heilung des Knochen- und/oder Weichteildefekts. Darüber hinaus sollten damit verbundene psychosoziale Risiken beachtet werden: wie etwa die Fragen, inwiefern eine solche Implantation und enge Verbindung mit (und möglicherweise auch Abhängigkeit von) einem externen robotischen System die Körperwahrnehmung, die Stimmung und das Gefühl der Handlungsverursachung beeinflusst. Aus den veröffentlichten Studie ist nicht ersichtlich, ob und inwieweit die Forschungsgruppe auch solche Aspekte systematisch untersucht.“

„Hinsichtlich der Integration aller Komponenten (Elektrode, drahtlose Übertragung der Signale, Dekodierung und mehrdimensionale Exoskelettsteuerung) entspricht und/oder übertrifft die Studie den bisherigen State-of-the-art. Lediglich im Bereich der Dekodierung der epidural gemessenen EEG-Signale (ECoG) wären für die maschinellen Lernverfahren auch aktuellere Ansätze wie beispielsweise tiefes Lernen (deep learning) mit künstlichen neuronalen Netzen denkbar, die möglicherweise die Dekodiergenauigkeit (und auch adaptive Steuerung des Exoskeletts) wahrscheinlich verbessert hätten.“

„Neu sind der Ansatz und seine einzelnen Systemkompenten nicht, wie oben ausgeführt ist jedoch die Zusammenführung aller Komponenten in einem System durchaus als neu und innovativ zu betrachten.“

„Die Grenzen scheinen aktuell vor allem in der Genauigkeit und Stabilität der Exoskelettsteuerung zu liegen. An dieser Stelle ist aber mit weiteren Verbesserungen im Fortgang der laufenden klinischen Studie zu rechnen.“

„Die Elektrodentechnologie entspricht dem aktuell üblichen Stand. Grundsätzlich wären auch größere Elektrodengitter (grids) einsetzbar, die wesentlich mehr als die in der Studie verwendeten 64 Kontakte (von denen nur 32 aktiv eingesetzt wurden) hätten und wesentlich kleinere Kontaktgrößen (und somit kleinere Grids) hätten, sogenannte Mikro-ECoG. Insofern entspricht die Elektrodentechnologie nicht ganz dem State-of-the-art.“

Auf die Frage, warum das Experiment bei einem zweiten Patienten nicht funktioniert hat:
„Die Autor*innen schreiben von einem technischen Defekt auf der Ebene der Energiezufuhr für die Signalübertragung, welche im Folgenden behoben worden sein soll.“

„Der grundlegende Ansatz – nämlich epidurale Ableitung und Dekodierung von Hirnsignalen zur Steuerung von externen Geräten und Programmen (sogenannten „Effektoren“) – hat ein breites Anwendungsfeld in der Medizin. Dieses reicht von hoher Querschnittslähmung bis hin zu Schlaganfall, traumatischen Hirnverletzungen und Abbauerkrankungen des Gehirns. Auch und insbesondere im Hinblick auf ein besseres Grundlagenverständnis bis hin zur Anwendung der Ableitung von EEG-Signalen während der Sprachverarbeitung des Gehirns, ergeben sich eine Reihe interessanter Anwendungen. Diese Fortschritte bringen auch Forschungsabteilungen großer Technologieunternehmen wie Facebook (oder der Tesla-Tochter Neuralink) oder militärischer Forschungsorganisationen (wie der DARPA in den USA) dazu, in diese Neurotechnologien im großen Stil zu investieren.“

„Für die medizinische Grundlagenforschung und die translationale klinische Anwendungsforschung stellt die Arbeit einen wichtigen Fortschritt dar, insbesondere im Hinblick auf die erfolgreiche Integration mehrerer Systemkomponenten (Elektrode, Signaleinheit, Dekoder, Exoskelett) und die Demonstration erster Fortschritte in der mehrdimensionalen Steuerung der Gliedmaßen des Exoskeletts.“

„Aus forschungsethischer Sicht ist zunächst zu begrüßen, dass die Studie im Rahmen einer Registerstudie durchgeführt wird; dass die Autor*innen auch über den missglückten Versuch (aufgrund eines technischen Defekts) bei dem ersten Patienten berichten und dass das Elektrodensystem und die Signaleinheit tierexperimentell im Großtierversuch (Schaf) getestet wurde.“

„Im Hinblick auf den zugrundeliegenden klinisch-translationalen Gesamtansatz – Kontrolle eines robotischen Exoskeletts zur Wiedererlagung der Gehfähigkeit durch Gelähmte – sind jedoch folgende Punkte bedenkenswert aus meiner Sicht: Es fehlt eine plausible Begründung, ob und inwieweit diese Art des Assistenzsystem von gelähmten Patient*innen – abhängig von ihrer zugrundeliegenden Erkrankung, sowie Art und Umfang der Funktionseinschränkung – überhaupt gewünscht wird. Beispielsweise wäre es ja durchaus möglich, dass Patient*innen mit noch mehr oder weniger erhaltenen Restbeweglichkeit (zum Beispiel der Gesichtsmuskulatur), die ja die Mehrheit der Menschen mit Querschnittslähmung ausmachen, andere Systeme bevorzugen, die nicht eine Operation und Implantation einer Elektrode erfordern. Für einen (kleinen) Teil der besonders schwer gelähmten Menschen wäre ein solches implantierbares System wahrscheinlich hilfreich. Untersuchungen zu den Prioritäten verschiedender Gruppen von Patient*innen mit Lähmungen zeigen jedoch, dass hier zum Teil sehr unterschiedliche Wünsche an ein mögliches Assistenzsystem vorhanden sind – die unter anderem von der Ursache und dem Ausmaß der Lähmung abhängig sind.“

„Insofern fehlt der Studie ein klar erkennbarer nutzer-/patientenorientierter Ansatz. In seinem solchen Ansatz würden die Prioritäten und Wünsche der Patient*innen im Hinblick auf mögliche Assistenzsysteme nicht nur allgemein abgefragt oder qualitativ empirisch beforscht (was in der Studie ja auch nicht erfolgt, zumindest nicht berichtet wurde), sondern sind zentraler Bestandteil des Designs, der Entwicklung und klinischen Anwendung eines Assistenzsystem. Ansonsten besteht die reelle Gefahr, dass die ressourcenintensive medizintechnologische Forschung an den Kernbedürfnissen großer Patient*innengruppen – wie Menschen mit Schlaganfall oder Querschnittslähmung – vorbeigeht und auf der Ebene des ‚technologischen Solutionismus‘ stagniert. Damit würde Forschung betrieben, die durch technologische Machbarkeit und die Priorisierung technologischer ‚Lösungen‘ angetrieben wird, statt durch die medizinischen, sozialen und individualpsychologischen Bedürfnisse der betroffenen Patient*innen.“

PD Dr. Rüdiger Rupp

Leiter der Sektion Experimentelle Neurorehabilitation, Klinik für Paraplegiologie, Universitätsklinikum Heidelberg
(zu technischen Aspekten)

„Die Arbeit zeigt, dass es einem Hoch-Querschnittsgelähmten mit fehlender Bein- und Handfunktion über auf das Gehirn aufgelegte Elektroden möglich ist, zwei Arme eines Roboterskeletts intuitiv anzusteuern. Darüber hinaus kann der Nutzer über den Gedanken an eine Beinbewegung eine vom Exoskelett selbstständig ausgeführte Gehbewegung auslösen. Das an sich ist noch nicht neu und wurde bereits in Vorgängerstudien gezeigt. Allerdings haben die Autoren zum ersten Mal gezeigt, dass diese Kontrolle bei einem Hoch-Querschnittgelähmten über ein vollständig implantiertes System über einen Zeitraum von zwei Jahren funktioniert. Besonders erwähnenswert ist, dass – im Gegensatz zu direkt ins Gehirn eingebrachten Elektroden – die Computeralgorithmen nicht vor jeder Anwendung neu trainiert und eingestellt werden müssen.“

„Die Arbeit konnte zeigen, dass über einen Zeitraum von zwei Jahren stabile Signalmuster aus dem Gehirn ableitbar waren und mit diesen die Kontrolle von zwei Roboterarmen und -beinen möglich ist. Allerdings waren an den Roboterarmen noch keine Hände montiert, sodass der Hoch-Querschnittsgelähmte keinerlei konkreten Nutzen von der Studie hatte. Auch konnte er nur im Forschungslabor mit dem Roboteranzug gehen.“

„Ein großes Problem der Gehirn-Computer-Schnittstellen ist die schlechte Präzision der Kontrolle. So landeten auch nach mehrmonatigem Training nur 75 Prozent der Armbewegungen an dem gewünschten Zielort. Ob das für eine Alltagsanwendung ausreichend ist, muss erst in Folgestudien gezeigt werden. Außerdem ist unser Gehirn ständig aktiv, sodass während der Experimente mehrmals pro Minute fälschlicherweise die Absicht für eine Beinbewegung detektiert wurde. Wie diese Fehlaktivierungen im Alltag vermieden werden sollen, ist ebenfalls noch offen.“

„Brain-Computer-Interfaces kommen vor allem für Menschen mit Lähmungen des gesamten Körpers in Frage. Für diese Menschen gibt es momentan nur die Möglichkeit, einen Computer oder andere Geräte über Kopf-, Zungen- oder Augenbewegungen zu steuern. Mit dem vorgestellten System könnte neben einem Computer auch ein Roboterarm intuitiv gesteuert werden, mit dem dann Alltagsaufgaben wie Essen oder Trinken möglich wären. Die im Labor durchgeführten Laufexperimente, bei dem das Exoskelett von einem Deckenkran gehalten wird, zeigen aber auch die Grenzen der Technologie auf. Während man sich einen Einsatz eines Roboterarms zu Hause noch vorstellen kann, ist die gedankengesteuerte Bedienung eines Exoskeletts für das Gehen im häuslichen Umfeld mit Absätzen und Treppen noch lange nicht umsetzbar. Aufgrund der fehlenden klinischen Relevanz ist es für mich etwas fraglich, warum die Publikation im Journal ‚The Lancet Neurology‘ erscheint.“

„Damit die Gedankensteuerung überhaupt funktioniert, dürfen die mentalen Fähigkeiten eines Nutzers nicht eingeschränkt sein. Damit kommen vor allem Hoch-Querschnittgelähmte für das System in Frage.“

„Generell ist jeder operative Eingriff, vor allem natürlich am Gehirn, mit Risiken wie Infektionen verbunden. Allerdings kann das hier verwendete System, bei dem die Elektroden nicht tief ins Gehirn eingebracht, sondern auf das Gehirn aufgelegt werden, bei Problemen ohne Spätfolgen entfernt werden. Das wurde ja bei dem ersten Patienten gemacht, bei dem das System unmittelbar nach der OP aufgrund eines Softwarefehlers wieder ausgebaut werden musste. Insofern ist das operative Risiko überschaubar.“

„In den letzten 15 Jahren wurden bereits sehr viele Versuche mit epiduralen Elektroden auf den sensomotorischen Arealen des Gehirns durchgeführt. In der Epilepsiediagnostik wird Patienten routinemäßig eine Elektrodenmatte auf das Gehirn aufgelegt. Mit diesen konnten schon vor vielen Jahren gezeigt werden, dass eine Echtzeit-Kontrolle eines mehrgelenkigen Roboterarms möglich ist. Diese Elektroden werden aber nach wenigen Tagen wieder entfernt. In der jetzt erschienenen Arbeit wurde aber zum ersten Mal ein drahtloses, vollständig implantierbares System über einen Zeitraum von zwei Jahren genutzt. Dass sowohl die Elektroden als auch die drahtlose Signalübertragung über zwei Jahre hinweg funktionieren, ist ein wesentlicher Schritt zur zukünftigen Nutzung der Technologie im Alltag. Ebenso wichtig ist aber auch der von der Arbeit erbrachte Nachweis, dass die Computeralgorithmen zur Umsetzung der Elektrodensignale in Steuerbefehle nicht ständig von technischen Experten neu angelernt werden müssen.“

„Direkt nach der Implantation beim ersten Patienten wurde ein vorher wohl nicht aufgetretener Softwarefehler festgestellt, der die gesamte Betriebssoftware lahmlegte und damit nur noch die Explantation des Systems übrig blieb. Sicherlich ein herber Rückschlag für die Forscher.“

„Die Arbeit zeigt aber auch deutlich die Grenzen der aktuellen Möglichkeiten zur Funktionswiederherstellung bei Schwerstgelähmten auf, da der Patient weder in der Lage war, reale Gegenstände zu greifen, noch außerhalb des Forschungslabors zu gehen.“

„Mit dem vorgestellten System könnten Computereingaben im Sinne einer klassischen Maus erfolgen. Auch die Steuerung von Rollstühlen oder anderen Hilfsmitteln wäre vorstellbar. Die Arbeit zeigt, dass über einen verhältnismäßig langen Zeitraum von zwei Jahren über acht Freiheitsgrade mit moderater Performance simultan kontrolliert werden können. Ich werte dies als einen wesentlichen Schritt in Richtung Alltagsanwendung.“

Auf die Frage, auf welche Gebiete sich die Ergebnisse übertragen lassen – ob sie beispielsweise Ideen, wie die von Mark Zuckerberg oder Elon Musk, weiterbringen:
„Eine von Zuckerberg und Musk postulierte gedankenbasierte Computertexteingabe von 40 Worten pro Minute ist aus heutiger Sicht unmöglich. Abstrakte Vorstellungen, wie der Gedanke an ein zu tippendes Wort, entstehen verteilt in vielen Hirnregionen, welche alle mit Elektroden ‚angezapft‘ werden müssten. Selbst wenn mit ausgefeilten Methoden der künstlichen Intelligenz damit einzelne Wörter erkannt werden könnten, wäre das Operationsrisiko des Einbaus dieser Vielzahl an Elektroden immens.“

„Die Arbeitsgruppe hat im Vorfeld der klinischen Anwendung das System im Schaf auf mögliche Nebenwirkungen getestet. Für einen Einsatz am Menschen müssen auch eine Reihe von gesetzlichen Voraussetzungen erfüllt sein, sodass die möglichen Gefahren auf ein Minimum reduziert werden. Solche Einzelfallstudien sind ab einem gewissen Punkt notwendig, um die generelle Machbarkeit eines technischen Ansatzes zu testen. Allerdings halte ich es für eine ethisch-moralische Pflicht von Wissenschaftlern, dass diese klar auf den Pilotcharakter der wissenschaftlichen Studie hinweisen, um bei Patienten keine falschen Hoffnungen zu wecken.“

Prof. Dr. Norbert Weidner

Ärztlicher Direktor der Klinik für Paraplegiologie, Universitätsklinikum Heidelberg
(zu klinischen Aspekten)

„Fangen wir mit einer positiven Note an. Die epidurale Platzierung ist vergleichsweise weniger invasiv als Elektroden direkt ins Gehirngewebe zu implantieren. Darüber hinaus lassen sich mit dieser Methode sehr viel länger stabile Hirnströme ableiten. Damit stellt diese Herangehensweise eine technische Neuerung dar.“

„Aus klinischer Perspektive eines Experten für Querschnittslähmung ergibt sich aus der Studie keinerlei Zugewinn an Wissen oder Erfahrung, die zu einer Verbesserung der Lebensqualität der Betroffenen beitragen. Über einen ‚Brain-Switch‘ ein automatisiertes Gehprogramm eines Exoskeletts anzuschalten, ist keine wirkliche Innovation. Ein Betroffener mit dem Grad der Lähmung, so wie es sehr dürftig in der Studie beschrieben ist, ist durchaus noch in der Lage, ein Exoskelett ein- oder auszuschalten. Man muss wissen, dass das Gehen in der Studie nur mit Hilfe einer Aufhängung an der Decke erfolgen kann. Damit ist die Alltagsrelevanz gleich null. Im Bereich der oberen Extremitäten mag das Brain-Computer-Interface tatsächlich mehrere Freiheitsgrade der Bewegung ansteuern lassen. Nur ist der Endeffektor (Exoskelett für die Arme) nicht in der Lage, diese Freiheitsgrade in sinnvolle zielgerichtete Bewegungen umzusetzen, zum Beispiel das Greifen eines Gegenstandes wie ein Glas, einen Schlüssel oder ähnliches. Damit ist auch in diesem Fall bei Betrachtung der vorgestellten Technologie die Alltagsrelevanz gleich null.“

„Zu berücksichtigen ist, dass die Erfahrungen mit nur zwei Patienten berichtet werden! Bei einem der Patienten gab es technische Probleme, sodass die Elektroden wieder gezogen werden mussten. Es ist absolut nicht nachvollziehbar, warum einzelne Ergebnisse eines Patienten aus einer Studie mit insgesamt fünf geplanten Patienten herausgenommen und publiziert wurden.“

„Wie oben schon gesagt: Die klinische Relevanz ist gleich null! Mit der Technologie kann, so wie sie vorgestellt wird, kein Benefit bei Menschen mit Querschnittslähmung erzielt werden. Eine strukturierte Befragung des Patienten hinsichtlich seiner Einschätzung fehlt gänzlich. Für Patienten mit einem vergleichbaren Ausmaß der Querschnittslähmung stehen zum Teil effektivere, bereits etablierte Therapiemethoden zur Verfügung. So kann zum Beispiel die Arm- und Greiffunktion eines tetraplegischen Patienten mit noch intaktem Bizeps-Muskel durch Muskel-Sehnen- oder Nerventransfer nachweislich verbessert werden. Risiken der Behandlung, wie in der Studie vorgestellt, entstehen selbstverständlich durch die Operation am Gehirn: Ein Fremdkörper muss eingebracht werden mit der Gefahr der Verletzung des Gehirns oder Entzündungsreaktionen auf den einliegenden Fremdkörper.“

„Der Forschungsansatz ist insofern wichtig, da er ein weniger invasives System erprobt, welches die zuverlässige Ableitung von Gehirnströmen über längere Zeiträume hinweg ermöglicht. Insofern ist die entsprechende Forschung als wichtig und als ethisch vertretbar anzusehen.“

Angaben zu möglichen Interessenkonflikten

Prof. Dr. Surjo R. Soekadar: „Es bestehen keine Interessenkonflikte.“

Alle anderen: Keine Angaben erhalten.

Primärquellen

Benabid AL et al. (2019): An exoskeleton controlled by an epidural wireless brain–machine interface in a tetraplegic patient: a proof-of-concept demonstration. The Lancet Neurology. DOI: 10.1016/S1474-4422(19)30321-7.

Shakespeare T (2019): Is a four-limb exoskeleton a step in the wrong direction? The Lancet Neurology. DOI: 10.1016/S1474-4422(19)30352-7.

Literaturstellen, die von den Experten zitiert wurden

[1] Soekadar SR et al. (2016): Hybrid EEG/EOG-based brain/neural hand exoskeleton restores fully independent daily living activities after quadriplegia. Science Robotics; 1 (1), eaag3296. DOI: 10.1126/scirobotics.aag3296.

[2] Clausen J et al. (2017): Help, Hope and Hype: Ethical Dimensions of Neuroprosthetics. Science; 356 (6345): 2-3. DOI: 10.1126/science.aam7731.

[3] Lahr J et al. (2015): Invasive brain–machine interfaces: a survey of paralyzed patients' attitudes, knowledge and methods of information retrieval. Journal of Neural Engineering; 12 (4).