Gehirn-Computer-Steuerung am Cybathlon

«Jedes Blinzeln, jedes Zähne-Zusammenbeissen stört das Signal»

Die Neurowissenschaftlerin Rea Lehner erforscht wie wir künftig mit Gedanken Computer steuern können. Mit ihrem Team startet sie am diesjährigen Cybathlon in einem virtuellen Rennen.

Frau Lehner, am Cybathlon muss Ihr Teampilot in einem Computerspiel bloss mit seinen Gedanken ein Fahrzeug durch einen Parcours navigieren. Wie geht das?

Wir verteilen bis zu 64 Elektroden auf dem Kopf unseres Piloten. Jede einzelne Elektrode ist dabei über ein Kabel mit einem Computer verbunden. Mit diesen kleinen Sensoren messen wir die Hirnaktivität. Dies nennt sich Elektroenzephalographie. Das ist erstmal ein riesen Durcheinander an Signalen. Daraus versuchen wir dann anhand von Algorithmen vier verschiedene Kommandos herauszulesen. Ein Kommando steuert das Auto nach links, eines nach rechts, eines gerade aus und beim letzten soll das Licht angehen.

Muss sich der Pilot dafür konkret vorstellen, wie er also mit dem Fuss aufs Gaspedal drückt und mit den Händen das Steuerrad herumdreht?

Nicht ganz. Wenn er nach links fahren möchte, muss er sich vorstellen, wie er seine linke Faust auf und zu macht. Für eine Rechtskurve stellt er sich die gleiche Bewegung entsprechend mit der anderen Hand vor. Will er das Fahrzeug geradeaus steuern, muss er sich entspannen. Und für das Licht muss er sich vorstellen, wie er seine Füsse bewegt.

Ihr Pilot muss also gar nicht Autofahren können.

Richtig. Er muss sich einfach die vier von uns bestimmten Bewegungen besonders gut vorstellen können. Genau diese haben wir gewählt, weil sie verschiedene elektrische Aktivitäten im Gehirn verursachen. Denn sie liegen auf dem motorischen Cortex, also dort wo das Gehirn unsere Bewegungen codiert, an unterschiedlichen Orten. Die spezifischen Muster können wir dann messen. Wichtig ist, dass der Pilot alle anderen Bewegungen im Bereich des Kopfes unterdrückt. Jedes Blinzeln, jedes Zähne-Zusammenbeissen stört das Signal.
[breathing]

Wieso muss er an Bewegungen und nicht an Dinge oder Emotionen denken?

Das Auto mit Emotionen zu steuern, das ist wahrscheinlich nicht möglich. Emotionen lösen zwar auch elektrische Impulse aus, das passiert aber viel tiefer im Gehirn. Das können wir mit unserer Methode gar nicht messen. Der motorische Cortex hingegen liegt an der Hirnoberfläche und diese Aktivität können wir mit den Elektroden auf dem Kopf aufzeichnen.

Dafür zieht Ihr Pilot eine total verkabelte Kappe an. Wäre ein Chip unter der Kopfhaut nicht viel effizienter?

Doch, und genau daran arbeitet beispielsweise Elon Musk. Es ist ganz klar, je näher am Hirn man misst, umso stärker ist das elektrische Signal und umso besser können wir es mit unseren Algorithmen entschlüsseln. Das Problem ist aber, dass man dafür den Schädel öffnen muss und das ist invasiv und riskant. Es gibt Patienten, die haben aus therapeutischen Gründen bereits Elektroden im Gehirn. In solchen Fällen ist es ethisch vertretbar weitere Messungen zu machen. Gesunden Menschen einen Chip aber extra nur für wissenschaftliche Zwecke einzupflanzen, das kann man bis jetzt nicht verantworten.

Wie könnte eine Anwendung für unseren Alltag denn aussehen?

Für unseren Alltag kann ich mir das noch nicht vorstellen, ausser vielleicht im Gaming-Bereich. Da geht es sehr viel um Reaktionsschnelligkeit. Wenn man Kommandos direkt aus den Hirnströmen heraus lesen könnte, ist das schneller als wenn ich einen Joystick bedienen oder Tasten drücken muss. Das grösste Bedürfnis für diese Technologie haben aber Menschen mit körperlichen Beeinträchtigungen. Wie unser Pilot Samuel Kunz, der querschnittsgelähmt ist. Man hofft, dass Menschen wie er in Zukunft einen Computer oder seinen Rollstuhl durch Gedanken steuern können. Aber das ist wirklich noch Zukunftsmusik. Von einer Anwendung mit Betroffenen im realen Leben sind wir noch weit entfernt.

Wieso?

Die Technologie die wir verwenden, braucht sehr viel Vorbereitung. Den Kopf mit Gel einschmieren, die Kappe aufsetzen und alles verkabeln dauert alleine gut zwanzig Minuten. Für den Alltag muss man das viel einfacher anwenden können. Hier braucht es also grosse Sprünge im Bereich der Hardware. Aber auch die Software stösst in realen Situationen an ihr Limit. Ob man im Labor auf einen Bildschirm schaut und ein Game steuert ist etwas ganz anderes als wenn man versucht seinen Rollstuhl in der Stadt durch den Gegenverkehr zu manövrieren. Draussen wirken ständig Eindrücke von aussen auf das Gehirn ein. Das eigentliche Signal, das wir messen möchten, vermischt sich so mit ganz vielen anderen. Das dann aus all dem Rauschen auszufiltern, ist aktuell gar nicht möglich.

Draussen dürfen ja auch keine Fehler passieren.

Genau. Unsere Trefferquote liegt momentan unter 80 Prozent. Um draussen unterwegs zu sein, ist das viel zu gefährlich. Für eine richtige Anwendung müssten die Befehle zu 99 Prozent richtig gelesen werden.

Weltweit beschäftigen sich verschiedene Forschungsgruppen mit Gehirn-Computer-Schnittstellen. Gegen einige treten Sie am Cybathlon an. Denken Sie, Sie werden gewinnen?

Das ist sehr schwierig zu sagen. Teilnehmen dürfen ja nur Tetraplegiker, aber da gibt es ganz viele Abstufungen. Der Sieger der Vorwettkämpfe in Graz, wo wir selber nicht dabei waren, klatscht auf dem Siegerbild mit beiden Händen. Unser Pilot hingegen kann seine Arme praktisch nicht mehr bewegen. Im Vergleich zu den anderen Piloten ist er wahrscheinlich einer der körperlich am stärksten beeinträchtigt ist. Wir sind uns noch nicht hundertprozentig sicher, aber wir gehen davon aus, dass es umso schwieriger ist, Kommandos heraus zu lesen, je stärker die Beeinträchtigung ist. Sie müssen sich das so vorstellen: Wenn wir unsere Arme oder Beine bewegen, erhält unser Gehirn ständig sensorisches Feedback. Unser Pilot hat das seit fast sechs Jahren nicht mehr. Das Gehirn verändert sich, die Bereiche die aktiv sind, wenn er versucht seine Hände oder Füsse zu bewegen, haben sich eventuell zurückgebildet.

Wie wichtig ist so ein Wettkampf denn für ihre Forschung?

Der Cybathlon gibt uns die Chance, ganz eng und über längere Zeit mit einem Betroffenen zusammenzuarbeiten. Wir machen auch sonst Studien mit Tetraplegikern, aber die sehen wir dann vielleicht ein einziges Mal. Mit unserem Piloten trainieren wir seit eineinhalb Jahren wöchentlich rund drei Stunden. So kommen jede Woche ganz viele Daten zusammen. Das ist für unsere Computerwissenschaftler im Team eine Spielwiese. Sie können verschiedene Algorithmen miteinander vergleichen und die Leistung über die Zeit verfolgen und verbessern. Für uns ist der Wettkampf natürlich auch eine schöne Möglichkeit, dass unsere Forschung sichtbar wird. Und dass wir und mit anderen messen können, ist für das Entwicklungsteam aber auch für den Piloten sehr motivierend. Unser Pilot war früher sehr sportlich. Seit er sich praktisch nicht mehr bewegen kann, kann er nicht mehr an Wettkämpfen teilnehmen, ausser am Cybathlon. Er träumt davon, irgendwann seine Computerspiele mit seinem Gehirn zu steuern. Das wäre für ihn das Grösste. Aber davon sind wir wie gesagt, leider, noch weit entfernt.

 

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Story von Felicitas Erzinger