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Neurologie 30. Juni 2005

Mit dem Willen können Wunder vollbracht werden

Der 27-jährige Thomas Schweiger ist nach einem Badeunfall vom Hals abwärts gelähmt. Nur seine linke Schulter kann er bewegen, und seinen linken Arm kann er heben, Hände und Finger reagieren nicht. Seit vier Jahren sitzt er im Rollstuhl. Forscher der Technischen Universität Graz haben ein System entwickelt, das es dem Steirer ermöglicht, dennoch seine Hand zu benutzen. Allein durch die Kraft seiner Gedanken und die Hilfe der Technik.

Der damals 22-Jährige verunglückte bei einem Badeunfall auf Malta. Er brach sich das Rückgrat, sein Rückenmark wurde zwischen viertem und fünften Halswirbel fast vollständig durchtrennt. Über den Steirer wurde vom Westdeutschen Rundfunk eine Dokumentation über die Entwicklung der Greiffunktion seiner Hand gedreht.
Thomas Schweiger wurde von dem Filmteam über mehrere Monate begleitet, und die Beobachtungen wurden in dem Film "Mit dem Willen Wunder schaffen - Toms Kampf gegen die Lähmung" zusammengetragen. Wenn er sich stark konzentriert, kann er mit der Kombination von Gedankensteuerung und Elektrostimulation mit seiner gelähmten Hand einen Gegenstand ergreifen.
Ohne den Lebensmut des jungen Mannes hätte die neue Technik vielleicht nicht den Erfolg gehabt. Thomas Schweiger steckt sich für die Zukunft überschaubare Ziele.
"Als nächsten Schritt möchte ich die Greiffunktionen im Alltag einsetzen, wie zum Beispiel beim Zähneputzen, um ein bisschen unabhängiger zu sein", sagt er. "Ich könnte den ganzen Tag vor dem Fernseher liegen und nichts tun, aber das ist nicht in meinem Sinn." Statt dessen trainiert der 27-Jährige täglich, um seinen Kreislauf, seine Muskulatur und die Gelenke zu kräftigen.

Größere Unabhängigkeit

Thomas Schweiger meistert seinen Alltag mit Hilfe ausgeklügelter Hilfsmittel und der Unterstützung von seinen Eltern.
Nach viel Übung kann er seit zwei Jahren ohne große fremde Hilfe alleine essen, was sowohl ihn als auch seine Eltern entlastet. Mit der neuen Möglichkeit, seine gelähmte Hand selbständig zu bewegen, ist er dem Ziel größerer Unabhängigkeit ein Stück näher gekommen. Was auf den ersten Blick einfach aussieht, hat ihn intensives Üben und viel Zeit gekostet. Mit einer mundgesteuerten Tastatur kann er einen Computer bedienen. Mit diesem Hilfsmittel konnte er seine Matura nachholen. Inzwischen studiert er Geographie.
Vor dem Unfall hat Tom Schweiger Saxophon gespielt und ist durch die Musik viel in der Welt herumgekommen. Seine große Lust am Reisen will er sich durch die Behinderung nicht nehmen lassen. Als Nächstes will er mit seiner Freundin für acht Wochen nach Australien.

EEG verarbeitete Signale steuern Elektrostimulation

Menschen mit Tetraparesie oder -plegie sind rund um die Uhr auf fremde Hilfe angewiesen. Um ihnen wieder ein Stück Selbständigkeit zu geben, wird mit der funktionellen Elektrostimulation versucht, die Greiffunktion zumindest partiell wiederherzustellen.
Für diese Patienten haben Wissenschaftler an der Technischen Universität in Graz und der Orthopädischen Universitätsklinik in Heidelberg ein ausgeklügeltes System entwickelt, mit dem es möglich ist, Gedanken in bestimmte Bewegungen zu übersetzen.
Amerikanische Arbeitsgruppen haben schon früher demonstriert, dass mit Hilfe eines EEG-basierten "Brain Computer Interface" Gedanken in Steuersignale umgeformt werden können. Die Signale wurden vom Frontalhirn abgeleitet. Der Patient konzentrierte sich auf eine Bewegung, die vom Rechner erkannt und vom Computer in Buchstaben umgewandelt wurde.

Funktionelle Elektrostimulation

Die Heidelberger Wissenschaftler stellten sich der Aufgabe, wie man aus einem EEG mit entsprechender Computerverarbeitung Signale zur Steuerung der funktionellen Elektrostimulation erzeugen kann.
In einer Pilotstudie konnte jetzt belegt werden, dass es auch bei Tetraplegikern möglich ist, bestimmte Greiffunktionen der gelähmten Arme gedankengesteuert zu vollziehen. Thomas Schweiger ist in dieser Studie die Testperson. Unter der Leitung von Gert Pfurtschneller, Vorstand des Institutes für Elektro- und Biomedizinische Technik wurde das "Brain Computer Interface" (BCI) mit der Elektrostimulation von Muskeln kombiniert.
Es wurde eine Symbiose zwischen Mensch und Maschine entwickelt. In der Interaktion zwischen Thomas Schweigers Zentralnervensystem (ZNS) und seiner Muskulatur wurde ein Computer zwischengeschalten. Der 27-Jährige denkt an eine Bewegung, der durch die Nervenaktivität entstehende Stromfluss und die elektrische Spannung werden wie bei einem Elektroenzephalogramm (EEG) mittels Elektroden abgeleitet. Die Gehirnsignale werden verstärkt und an einen Computer weitergeleitet. Dieser rechnet die Signale mittels einer speziell programmierten Software in binäre Signale um. Der Rechner kann also die eingehenden Impulse aus dem ZNS in die Hand weiterleiten und dort die Signale für "zugreifen" und "loslassen" in Bewegungen umwandeln. Diese Umwandlung erfolgt mittels Stimulation der entsprechenden Hand- und Fingermuskeln. Die Muskulatur lässt sich mittels elektrischer Impulse durch Elektroden am Unterarm zum Kontrahieren und Entspannen anregen. Die Greifsequenz hat drei Phasen: Zuerst öffnen sich die Finger, dann schließt sich die Hand und schließlich öffnen sich die Finger wieder. Dank seiner Konzentration hat der Steirer ein großes Stück Lebensqualität wiedergewonnen.

Computer differenziert Befehle mit physiologischen Phänomen

Die Spannungen, die beim EEG registriert werden, sind sehr klein, sie werden im Mikrovoltbereich gemessen, obwohl die elektrische Aktivität im ZNS bis zu tausendmal größer ist. Die Abschwächung der Signale kommt durch den Abstand von Gehirn und Schädeloberfläche sowie durch die anatomischen Gegebenheiten zustande. Deshalb sind Verstärker für die elektrischen Signale notwendig, um eine präzise Messung zu ermöglichen. Diese wurden von den Grazer Forschern erfolgreich konstruiert.
Um aus der Vielzahl der auf den Computer eingehenden Signale differenzieren zu können, welche Gedanken für den Computer als Bewegungsimpuls zu verwerten sind und welche nicht für den Computer "gedacht" sind, bedienten sich die Forscher eines ungelösten physiologischen Phänomens. Etwa eine halbe Sekunde, bevor ein Mensch eine Bewegung ausführt, ändern sich die Hirnströme. Dieses nur wenige Millionstel Volt kleine, aber hoch spezifische Bereitschaftspotenzial zeigt dem Computer an, dass der Mensch eine Bewegung plant.

Mensch und Computer bilden biomechanische Symbiose

Der nächste Schritt ist, dass alle Beteiligten lernen müssen, diese Impulse und die anschließenden Bewegungssignale zu koordinieren. So lernen Computer und Thomas Schweiger gemeinsam, ihre Symbiose im Alltag einzusetzen. Der Rechner lernte über Datenbeispiele, die EEG-Muster von Thomas einzustufen und entsprechend auszuwerten. Thomas hingegen musste lernen, sein EEG bewusst zu beeinflussen. Der Steirer musste einen neuen chronologischen Bewegungsablauf entwickeln. Thomas stellte sich vor, beide Füße zu bewegen, um dem Computer das Signal zu transduzieren, danach dachte er an die tatsächlich geplante Handbewegung. Für die alltägliche Praxis ist die Verkabelung außerhalb des Körpers zwischen Computer und Elektroden an Kopf und Unterarm nicht tauglich. "Das ist erst der Anfang", so Pfurtschneller. "In einem Projekt mit den USA arbeiten wir daran, die Elektroden ins Gehirn zu implantieren." Die Technik soll insgesamt verkleinert und unauffälliger werden.
Sender und Verstärker sind mit einer Größe von etwa einem Quadratzentimeter geplant. Die Signale werden mittels Funk nach außen geleitet an einem tragbaren Computer, der die Elektroden an den gelähmten Extremitäten steuert. Dieser Versuch soll in etwa vier Jahren erfolgen.

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