Erstmals in Europa: Hirn-Computer-Schnittstelle für Patient mit Querschnittlähmung

Ein Team des Universitätsklinikums der Technischen Universität München (TUM Klinikum) hat einem jungen Mann mit hoher Querschnittlähmung eine Hirn-Computer-Schnittstelle eingesetzt. Der fünfstündige Eingriff war der erste seiner Art in Europa. Eine Pionierarbeit. Denn mit der Schnittstelle will das Team den 25-jährigen Patienten in die Lage versetzen, sein Smartphone und einen Roboterarm allein mit seinen Gedanken zu steuern. Derzeit werden weitere Betroffene für die Studie gesucht.

Einerseits ermöglicht die Computer-Hirn-Schnittstelle zukünftig Forschung, die Betroffenen in Zukunft mehr Teilhabe, Unabhängigkeit und Lebensqualität eröffnen könnte. Andererseits ist ihre Anwendung schon in einem sehr konkreten Stadium. „Ich erhoffe mir, dass ich wieder selbständig essen und trinken kann und etwas weniger Hilfe im Alltag benötige“, sagt Michael Mehringer, der nun die erste europäische Hirn-Computer-Schnittstelle implantiert bekam. Mehringer ist seit seinem 16. Lebensjahr vom Hals ab querschnittgelähmt ist.

Über einen Zeitungsartikel waren Mehringer und seine Familie auf die Studie „Künstliche Intelligenz für Neurodefizite“ am TUM Klinikum aufmerksam geworden. „Ich bin immer positiv. Ich habe immer viel Hoffnung. Das ist mein Antrieb“, sagt Mehringer.

Mehr als fünfstündiger Eingriff

Nach einer langen Vorbereitungs- und Planungsphase setzte das Team der Neurochirurgie am TUM Klinikum schließlich in einer mehr als fünfstündigen Operation dem Mann mit hoher Querschnittlähmung eine eigens gefertigte Hirn-Computer-Schnittstelle ein. Es war seine 56. Operation.

„Ich bin stolz, dass ich mithelfen darf, die Forschung voranzubringen und hoffe, dass ich dadurch wieder selbständiger werde – dass ich einmal mit Hilfe eines hirngesteuerten Roboterarms wieder selbst greifen, essen und trinken kann“, sagt der 25-Jährige, der mit seiner Familie in der Nähe von Rosenheim wohnt.

„Möchte kein Opfer sein“

Ein schwerer Motorradunfall riss den damals 16-Jährigen am 23. April 2016 fast aus dem Leben. Eine Stunde kämpften Sanitäter und Ärzte an der Unfallstelle um sein Leben. Es folgten 14 Monate Klinik und insgesamt 55 Operationen.

Stück für Stück musste Mehringer vieles neu erlernen: Das Atmen, Sprechen und Schlucken. Er betont: „Ich möchte kein Opfer sein, sondern aktiv am Leben teilnehmen. Mein großes Glück ist die große Unterstützung meiner Familie, meiner Verwandten und Freunde.“

 „Michael ist überall dabei, ob als Passivmitglied bei der Feuerwehr oder im Burschenverein“, erzählt Mutter Agnes. „Da fahren Freunde ihn mit unserem behindertengerechten Auto hin und bringen ihn wieder heim“, ergänzt Vater Rupert. Bei der Hochzeit seines Bruders Rupert im Mai war er Trauzeuge, hielt auch eine Rede. Seinen Rollstuhl lenkt er per Kinnsteuerung. Sein Tablet bedient er mit einer Mundmaus.

256 Mikroelektroden

Die Hirn-Computer-Schnittstelle soll ihn darüber hinaus noch unabhängiger machen. Mit den 256 Mikroelektroden des Geräts lassen sich Signale aus dem Bereich des Gehirns, der für die Planung und Durchführung komplexer Greifbewegungen zuständig ist, präzise ableiten.

„Die größte Herausforderung bestand darin, die Elektroden sehr genau zu implantieren. Nur so erhält man hinterher exakte Ableitungen, und kann Hirnsignale präzise messen“, erläutert Prof. Bernhard Meyer. Er ist Direktor der Klinik und Poliklinik für Neurochirurgie.

Erste Operation dieser Art in Europa

„Mit der Operation wurde erstmals in Europa eine Hirn-Computer-Schnittstelle bei einer Querschnittslähmung eingesetzt“, sagt Simon Jacob, Professor für Translationale Neurotechnologie. „Wir sind stolz, die erste akademische Einrichtung in ganz Europa zu sein, die inzwischen schon zwei Hirn-Computer-Schnittstellen implantiert hat.“

Bereits 2022 hatte das Team einer Schlaganfallpatientin mit Sprachstörung eine solche Schnittstelle eingesetzt. Mit deren Hilfe wurde seitdem zunächst die Sprachverarbeitung in der gesunden rechten Hirnhälfte kartiert.

Decodierung von Hirnsignalen

Nach dem erfolgreichen Eingriff haben die eigentlichen Forschungsarbeiten begonnen. Etwa zweimal in der Woche treffen sich Michael Mehringer und die Forschenden seitdem im Labor. Dabei wird über einen Messkopf ein Computer an die Schnittstelle angeschlossen. Anschließend extrahiert das System aus den übertragenen Signalen Nervenzellaktivität.

Diese Daten werden genutzt, um KI-Algorithmen so zu trainieren, dass sie den Zusammenhang zwischen den neuronalen Signalen und der Bewegung, die Michael Mehringer ausführen will, erkennen. Hier kommt das Team des Munich Institute for Robotics and Machine Intelligence (MIRMI) an der TUM ins Spiel.

Zunächst sollen decodierte Hirnsignale genutzt werden, um einen Cursor auf einem Bildschirm und ein Mausklick-Signal zu kontrollieren. Dann, so hoffen die Forschenden, kann Michael Mehringer nach und nach lernen, einen robotischen Arm zu bewegen und damit Gegenstände zu greifen.

„Anstatt von Menschen zu erwarten, dass sie sich anpassen und den Umgang mit Robotersystemen erlernen, liegt unser Schwerpunkt darauf, Systeme zu entwickeln, die menschliche Absichten erkennen“, sagt die Teamleiterin Dr. Melissa Zavaglia. Ein erster Erfolg nach einigen Wochen Training: Wenn Michael Mehringer auf einem Bildschirm die Bewegungen eines Cursors beobachtet und in Gedanken nachahmt, können die Forschenden aus den neuronalen Daten ablesen, welche Bewegungen er sich vorstellt.

Wettbewerb mit US-amerikanischen Einrichtungen

Bei der Suche nach neuen Lösungen für Menschen mit schweren körperlichen Einschränkungen sehen sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vor allem im Wettbewerb mit Forschungseinrichtungen in den USA. Dort ist Simon Jacob zufolge in den vergangenen 20 Jahren stark in Forschung zu Gehirn-Computer-Schnittstellen investiert worden. „Unser Ziel ist, den Rückstand Europas und Deutschlands aufzuholen, indem wir Projekte durchführen, die anderswo nicht möglich sind“, sagt Simon Jacob.

„Das geht nur, indem wir die unterschiedlichen Kerndisziplinen an einem Standort besetzen: Medizin, Neurowissenschaften – und da zähle ich die KI mit rein – und die Hardware-Seite, also die Ingenieurwissenschaften. Weltweit gibt es kaum Universitäten, die diese drei Pfeiler so gut besetzen wie die Technische Universität München.“

Weitere Teilnehmerinnen und Teilnehmer für Studie gesucht

In Zusammenarbeit mit engagierten Teilnehmenden wie Michael Mehringer wollen die Münchner Forschenden in den kommenden Jahren überdies weitere wichtige Durchbrüche erzielen. Für die Studie suchen sie deshalb weitere junge Erwachsene aus dem Raum München mit hoher Querschnittlähmung, verursacht zum Beispiel durch einen Bade- oder Verkehrsunfall.

Dazu Prof. Jacob: „Wir suchen Menschen mit Pioniergeist und einer positiven Lebenseinstellung. Für unsere Studienteilnehmer ist wichtig zu verstehen, dass sie an Forschung teilnehmen, nicht an Heilung. Forschung ist nicht so planbar wie eine Kopfschmerztablette zu schlucken, die seit unzähligen Jahren entwickelt und erprobt ist.“

Junge Erwachsene mit hoher Querschnittslähmung, die an der Studie teilnehmen wollen, können sich per E-Mail an aid-studie@mri.tum.de bei den Forschenden melden. Sämtliche Kosten trägt das TUM Klinikum, unterstützt durch öffentliche Gelder.

Die Studienteilnahme ist zunächst auf fünf Jahre angelegt. Der Fortgang der Studie wird laufend kritisch überprüft. Die Sicherheit und das Wohlbefinden der Teilnehmenden stehen stets im Vordergrund. Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt fördert die Studie. Diese wurde von der Ethikkommission des TUM Klinikums geprüft.

Zum Weiterlesen

Auf der (externer Link) Website der AG Künstliche Intelligenz und Robotik in der Neurochirurgie / Technische Universität München finden sich ausführliche Information zur Historie und zum derzeitigen Stand der Pionierarbeit des interdisziplinären Forschungsteams aus Medizin, Neuro- und Ingenieurwissenschaften. Die Seite wird fortlaufend aktualisiert. Sehr lesenswert ist zudem die (externer Link) Informationsmappe mit Zahlen, Zitaten und Interviews mit den beteiligten Experten und mit Michael Mehringer.

Zudem dokumentieren einige Videos die Arbeit des Teams – sie stehen auf der Projekt-Seite bereit.

Der-Querschnitt.de betreibt keine Forschung und entwickelt keine Produkte/Prototypen. Wer an der beschriebenen Methode oder den vorgestellten Prototypen Interesse hat, wendet sich bitte an die im Text genannten Einrichtungen.