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Neurologie 26. Juni 2008

Gedacht ist auch getan

Bevor es zu einer willkürlichen Bewegung kommt, wird sie vorher im Gehirn geplant. Dieses Muster bzw. dessen Weiterleitung kann mittels Sensoren abgefangen und an eine Prothese geleitet werden. Ein Wissen, das in der Weiterentwicklung von künstlichen Gliedmaßen einen Quantensprung ermöglichen könnte.

 Proband
Der Proband steuert über eine EEG-Ableitung eine virtuelle Hand auf dem PC-Monitor, indem er sich eine bestimmte Handbewegung nur vorstellt.

Foto: Prim. Dr. Gerd Korisek

Jede willentliche Bewegung, ob mit der Hand oder mit einer Handprothese, beginnt mit der Aktivierung kortikaler und subkortikaler Strukturen in Verbindung mit dem Handlungsantrieb und dem Bewegungsentwurf. Die Bewegungsplanung ist mit Änderungen in der bioelektrischen Hirnaktivität verbunden und kann mit verschiedenen Methoden gemessen werden. Erste Potenzialänderungen treten dabei bereits ein bis zwei Sekunden vor dem Beginn der Bewegung auf und sind jenen Potenzialmustern ähnlich, die man auch bei einer reinen Bewegungsvorstellung, d.h. der mentalen Simulation einer Bewegung, messen kann. Daraus folgt, dass ähnliche neuronale Netzwerke aktiviert werden, sobald man eine Bewegung real durchführt oder wenn eine solche Bewegung nur vorgestellt wird.

Verarbeitungswege

Zwei prinzipiell verschiedene Methoden einer gedankenspezifischen Prothesensteuerung sind unterscheidbar: Im ersten Fall wird das gedankenmodulierte Signal direkt vom Gehirn abgeleitet, im zweiten von efferenten Nervenbahnen. Beim ersten Verfahren kann auf eine invasive und eine nicht-invasive Technik zurückgegriffen werden. Das Signal wird hierbei sowohl von Nervenzellen im motorischen Kortex (hoch-invasiv) als auch mit Elektroden von der Kopfhaut (Elektroenzephalogramm, EEG) aufgefangen. Für die Steuerung einer Armprothese gibt es daher verschiedene Möglichkeiten der Signalerfassung (siehe Prinzip einer Prothesensteuerung mit Hirnsignalen).
Bevor wir näher auf die nicht-invasive EMG- oder EEG-basierte Prothesensteuerung eingehen, noch einige Worte zur Steuerung mithilfe von implantierten Elektroden im motorischen Kortex. Kürzlich wurde erstmals von einem tetraplegischen Patienten berichtet, bei dem ein Elektrodenchip (Größe 3x4 mm) mit 100 Elektroden im motorischen Kortex (Handareal) mit dem Ziel implantiert wurde, die Vorstellung von horizontalen bzw. vertikalen Handbewegungen in ein Steuersignal für eine Computermaus umzuwandeln. Damit kann der Patient auf einem Computerbildschirm Zeichen (Buchstaben) auswählen und als Folge ohne Muskelaktivität mit der Umwelt kommunizieren (Hochberg et al., Nature 2006). Diese hoch-invasive Technik steht freilich erst am Anfang, ermöglicht aber vielleicht bereits in naher Zukunft, Armprothesen mithilfe von Gedanken zu steuern.

Signal, das aus der Dura kommt

Eine zukunftsträchtige Lösung, die zwischen der nicht-invasiven EEG-Ableitung und der hoch-invasiven Signalableitung von Elektroden im motorischen Kortex liegt, ist das Auffangen von gedankenmodulierten Potenzialmustern mittels subdural/epidural implantierten Elektroden. In diesem Fall wird das Elektrokortikogramm registriert, ein Signal, das dem EEG relativ ähnlich ist, jedoch eine wesentlich bessere Qualität aufweist.
Derzeit ist für die direkte gedankenspezifische Prothesensteuerung nur eine nicht-invasive Methode, nämlich die EEG-Ableitung, verfügbar. Der große Nachteil einer EEG-basierten Prothesensteuerung gegenüber einer invasiven Methode, besteht im zeitaufwendigen Trainingsprozess. Der Patient muss durch Vorstellen (mentale Simulation) bestimmter Bewegungsmuster (z.B. Fuß heben und senken, linke oder rechte Hand öffnen und schließen) lernen, charakteristische EEG-Muster zu generieren, die dann online und in Echtzeit analysiert und für die Prothesensteuerung weiter verwendet werden können. Ein System, das gedankenmodulierte Hirnsignale online in Steuersignale transformiert, wird als „Brain-Computer Interface“ (BCI) bezeichnet. Bei der invasiven Signalableitung kann der Lern- oder Trainingsprozess mit einem BCI nur einige wenige Stunden dauern, bei der nicht-invasiven Methode dagegen viele Tage bis Wochen. Für eine EEG-Ableitung liegt das Limit bei drei bis vier charakteristischen Mustern, womit sich mit einem BCI bestenfalls einfache Dreh- und Schließbewegungen einer Handprothese steuern lassen.

Für das Gehirn ist Arm noch da

Bei der herkömmlichen indirekten Methode wird die myoelektrische Aktivität (EMG) von efferenten Nervenfasern in Verbindung mit verbliebener Muskulatur für die Prothesensteuerung verwendet. Das klassische Beispiel dafür ist die Ableitung mehrerer EMG-Signale vom Armstumpf und die Verwendung dieser Signale für die Prothesensteuerung mit ein, zwei oder drei Freiheitsgraden. Diese Methode wird bereits seit Jahren von verschiedenen Firmen angeboten. Dabei müssen die Muskeln am Armstumpf bewusst kontrahiert werden, um so eine Ellenbogen-/Handbewegung zu steuern. Über eine Modifikation dieser Methode beim Fehlen eines Armstumpfes wurde in der Ärzte Woche (Ausgabe 49, 2007) berichtet. Die für die Armbewegung zuständigen Nerven wurden mit jenen für den (geteilten) Brustmuskel verbunden. Für das Gehirn ist der amputierte Arm somit noch vorhanden. Über Sensoren am Brustmuskel wird dann die Intention, den Arm zu steuern, in eine Bewegung des künstlichen Armes umgesetzt.
Eine ganz wichtige Komponente bei der Prothesensteuerung ist die Körperwahrnehmung. Eine Voraussetzung hierfür ist die sensorische Rückmeldung von Informationen über die Kraft und Position von Aktuatoren der Prothese bei der ausgeführten Bewegung. In Zukunft kann eine solche Körperwahrnehmung vielleicht durch eine bewegungsabhängige, elektrische Mikrostimulation somatosensorischer Kortexareale realisiert werden.
Eine Möglichkeit, die Entwicklung von Armprothesen und deren Steuerung durch bioelektrische Signale zu optimieren, besteht in der virtuellen Simulation. Das heißt etwa der Realisierung einer virtuellen Hand, deren Bewegungen von einem Probanden mit Hilfe eines BCIs gesteuert werden. In der Abbildung oben ist ein solches Experiment dargestellt. Der Proband steuert über eine EEG-Ableitung (Elektrodenhaube) eine virtuelle Hand auf dem Computermonitor, indem er sich eine bestimmte Handbewegung nur vorstellt, diese aber nicht real durchführt. Viele Forschungen, auch eine derzeit laufende Kooperation zwischen der Technischen Universität Graz und des Rehab-Zentrums Tobelbad versuchen derzeit zu ergründen, welchen Einfluss nur das Beobachten einer sich bewegenden Hand auf die elektrische Hirnaktivität hat. Denn dabei werden neben visuellen Arealen auch jene Spiegelneurone in motorischen Kortexarealen erregt, die mit gedankenspezifischer Aktivierung in Interaktion treten. Dieser Prozess, Denken an die Handbewegung und gleichzeitiges Beobachten der gesteuerten Extremität, treibt ähnliche neuronale Netzwerke im Gehirn an und ist für eine Optimierung einer Armprothesensteuerung von entscheidender Bedeutung.

Dr. Gerd Korisek ist ärztlicher Leiter des AUVA-Rehabilitationszentrums Tobelbad.

 Prinzip einer Prothesensteuerung

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