Neue Implantate wandeln Hirnströme von ALS

Computeraufzeichnungen der Hirnströme des ALS-Patienten: Daten aus Sensoren im Gehirn werden in Buchstaben umgewandelt

Selbst wenn ein Mensch keinen Muskel mehr bewegen und somit weder durch Handzeichen, Nicken oder Augenbewegungen anzeigen kann, was er möchte, ist es einem internationalen Forscherteam zufolge möglich, mit dem Betroffenen zu kommunizieren. Das zumindest sei im Fall eines Mannes mit amyotropher Lateralsklerose (ALS) geglückt, berichten die Wissenschaftler um den Tübinger Hirnforscher Niels Birbaumer im Fachmagazin »Nature Communications«.

Bei dem betroffenen Patienten handelt es sich den Angaben zufolge um einen 1985 geborenen Mann, der mit 30 Jahren die Diagnose ALS bekam. Dabei handelt es sich um eine fortschreitende und unheilbare Erkrankung des Nervensystems, bei der die motorischen Nervenzellen zugrundegehen. Die Folge ist, dass die Muskeln immer weniger gesteuert werden können und Bewegungen dadurch unmöglich werden. Zunächst konnte der Mann noch mithilfe eines Augensteuerungssystems kommunizieren, doch bereits im Jahr 2017 verlor er auch diese Fähigkeit.

Koma, Wachkoma, Locked-In-Syndrom

Ein Koma kann unter anderem durch ein Schädel-Hirn-Trauma oder einen Schlaganfall, durch Sauerstoffmangel nach einem Herzstillstand, Hirnentzündungen oder Hirntumore verursacht werden. Die Patienten müssen künstlich ernährt und beatmet werden.

Wer im Koma liegt, kann auch durch starke äußere Reize nicht wieder das Bewusstsein erlangen. Es werden vier Grade der Komatiefe unterschieden. Im ersten Grad findet noch eine gezielte Reaktion auf Schmerz statt, Bewegungen der Pupillen sind nachweisbar, eine Stimulation des Gleichgewichtsorgans kann Augenbewegungen auslösen. Im vierten Grad ist keinerlei Reaktion mehr zu beobachten.

Das Wachkoma, auch Apallisches Syndrom oder andauernder vegetativer Zustand (persistent vegetative state, PVS) genannt, ist oft die Folge einer gewissen Erholung von komatösen Patienten: Die Hirnfunktionen stabilisieren sich, so dass künstliche Beatmung und Ernährung nicht mehr notwendig sind. Allerdings ist das Großhirn weiterhin ganz oder zu großen Teilen ausgefallen. Zwischenhirn, Hirnstamm und Rückenmark halten Atmung, Kreislauf, Verdauung intakt. Die Patienten sind tagsüber oft wach, ihre Augen sind geöffnet. Dennoch nehmen sie ihre Umwelt nicht bewusst wahr.

Beim Locked-In-Syndrom, auch als Eingeschlossensein bezeichnet, sind Menschen nahezu vollständig gelähmt, aber bei vollem Bewusstsein und intaktem Hörsinn. Oft können sie nur noch die Augen vertikal bewegen, was zumindest eine rudimentäre Kommunikation mit der Außenwelt zulässt. Ansonsten ist die Verwendung einer Hirn-Computer-Schnittstelle möglich, welche die Hirnströme direkt in Steuerbefehle für einen Computer übersetzt. Verursacht wird das Locked-In-Syndrom oft von einem Hirntrauma oder einem Schlaganfall. Ein anderer Weg in das Eingeschlossensein ist die Amyotrophe Lateralsklerose, bei der die Betroffenen nach und nach ihre motorischen Fähigkeiten verlieren, bis sie vollkommen gelähmt sind und künstlich am Leben gehalten werden müssen.

Seine Familie kontaktierte daher Birbaumer vom Institut für Medizinische Psychologie an der Universität Tübingen und seinen Kollegen Uwal Chaudhary von der ALS Voice GmbH im badenwürttembergischen Mössingen. Birbaumer und Chaudhary haben bereits mehrfach zusammengearbeitet und publiziert. In den Jahren 2017 und 2019 hatten sie Artikel über Kommunikationssysteme für ALS-Patienten veröffentlicht, die sie später allerdings wieder zurückziehen mussten. Der Grund: Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) warf ihnen wissenschaftliches Fehlverhalten vor, Daten seien gefälscht worden. Birbaumer und Chaudhary wurden aus der DFG ausgeschlossen, der SPIEGEL berichtete.






In der aktuellen Studie legten die Wissenschaftler viele Daten und Auswertungen des Experimentes mit ihrem Patienten vor, die zwei unabhängige Forscher kritisch überprüft und hinterfragten. Nachdem die Autoren zusätzliche Erklärungen und Details geliefert hatten, akzeptierte das renommierte Journal »Nature Communications« die Arbeit und veröffentlichte diese nun.

»willst du mit mir bald disneys robin hood anschauen«

Die Besonderheit es neuen Systems ist, dass der Patient mithilfe von akustischen Signalen kommunizieren kann. Dabei wählt er in seinen Antworten jeweils zwischen »Ja« und »Nein« aus, was unterschiedliche Aktivitäten in seinen Nervenzellen zur Folge hat. Diese werden von Elektroden in seinem Gehirn abgelesen, die dem Mann im Jahr 2019 implantiert worden waren. Welche Aktivität »Ja« und welche »Nein« bedeutet, hat er den Angabe zufolge in zahlreichen Sitzungen über ein akustisches Feedback-System gelernt: Wählt er »Ja«, klettert der Ton in die Höhe, bei »Nein« sackt er ab. Auf diese Weise hat der Patient gelernt, ganze Wörter zu buchstabieren und Sätze zu formulieren wie etwa »jungs es funktioniert gerade so muehelos« oder »mein groesster wunsch ist eine neue bett und das ich morgen mitkommen darf zum grillen«. Seinen Sohn fragte er demnach: »willst du mit mir bald disneys robin hood anschauen«.

Dieses akustische Neurofeedback-System ist ungewöhnlich, und es ist unklar, inwieweit es sich auch von anderen Locked-in-Patienten nutzen lassen könnte. Es erfordert für die Implantate zudem einen hirnchirurgischen Eingriff, der Komplikationen wie Blutungen oder Infektionen nach sich ziehen kann. Für den Mann aus Tübingen aber stellt es offenbar eine Möglichkeit dar, mit seinem Sohn, seiner Frau, seiner Mutter, den Pflegern und Ärztinnen und Forschern noch zu kommunizieren – auch wenn er für jedes einzelne Wort mehrere Minuten braucht.

Mit fortschreitender Zeit werden allerdings auch die Aussagen auf diesem Weg deutlich langsamer und weniger zuverlässig, sagte Jonas Zimmermann vom Wyss Center für Bio- und Neuroengineering in Genf, der sich derzeit um den Patienten kümmert, gegenüber der »New York Times«. Die Ursache seien vermutlich technische Probleme, denn die implantierten Elektroden haben nur eine begrenzte Lebensdauer. Diese auszutauschen sei aber aufgrund der Infektionsgefahr zu riskant.

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