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Wettkampf mit Hirn«Vier Minuten volle Konzentration»

Querschnittgelähmte fahren am Cybathlon ein virtuelles Autorennen – mithilfe ihrer Gedanken. Die Neurowissenschaftlerin Rea Lehner erklärt, wie das geht.

Der querschnittgelähmte Rennfahrer Samuel Kunz am «Cybathlon 2020 Global Edition». Er hat seine Rennen bereits bestritten. Sie wurden aufgezeichnet und können am Freitagnachmittag online verfolgt werden.
Der querschnittgelähmte Rennfahrer Samuel Kunz am «Cybathlon 2020 Global Edition». Er hat seine Rennen bereits bestritten. Sie wurden aufgezeichnet und können am Freitagnachmittag online verfolgt werden.
Foto: Alessandro Della Bella (ETH Zürich Cybathlon)

Beim Wettkampfspiel namens «Braindriver» schaut der Pilot auf den Bildschirm und muss ein Auto durch seine Gedanken lenken. Wie muss man sich das vorstellen?

Der Wettkämpfer, beim Cybathlon wird er Pilot genannt, hat 64 Elektroden auf dem Kopf. Die Sensoren messen das Hirnsignal auf der Kopfhaut. Gewisse Gedanken lösen gewisse Signale aus, die wir interpretieren und in Fahrbefehle umsetzen.

Woran denkt der Pilot, wenn eine Linkskurve kommt?

Bei einer Linkskurve stellt sich der Pilot vor, mit der linken Hand eine Faust zu machen. Also Faust öffnen, schliessen, öffnen, schliessen. Bei einer Rechtskurve das Gleiche mit der rechten Hand. Wenn es geradeaus geht, muss der Pilot versuchen, sich möglichst zu entspannen. Und wenn es auf der Strecke plötzlich dunkel wird, stellt er sich vor, er würde die Füsse bewegen. So schaltet er die Scheinwerfer an.

Warum leitet der Pilot die Kommandos nicht direkt aus der Realität ab? Also: Der Gedanke an das Drehen des Lenkrads lässt das Auto um die Kurve fahren.

Wir haben Gedanken ausgewählt, die in einer gewissen Hirnregion, dem motorischen Cortex, ein möglichst unterschiedliches Signal produzieren. Der motorische Cortex ist topografisch organisiert. Das bedeutet, dass verschiedene Körperteile an unterschiedlichen Orten im motorischen Cortex repräsentiert sind. Diese Regionen werden sowohl durch die Bewegungsvorstellung als auch bei der Bewegungsausführung aktiviert. Da Hände und Füsse am Körper weit auseinanderliegen, ist deren gedankliche Aktivierung auch im motorischen Cortex recht klar getrennt. Zudem wird der linke motorische Cortex mehr bei Bewegungsvorstellungen der rechten Hand aktiviert und umgekehrt. Dieses Muster versuchen wir zu entschlüsseln.

Der Pilot, Samuel Kunz, ist seit einem Badeunfall an der Limmat im Sommer 2014 vom Hals an querschnittgelähmt. Warum ist er als Tetraplegiker für diesen Wettkampf besonders geeignet?

Samy war vor seinem Unfall sehr sportlich. Daher ist er sehr ambitiös und liebt Wettkämpfe. Zudem hat er einen technischen Hintergrund: Er hat Maschinenbau studiert. Er kann also gut nachvollziehen, was wir machen. Das hilft uns sehr in der Interaktion mit ihm.

Macht es einen Unterschied, ob ein Tetraplegiker oder ein gesunder Mensch ein Auto mittels Gedanken steuert?

Bei gesunden Menschen ist die Repräsentation der Gedanken im motorischen Cortex relativ stark. Bei Tetraplegikern, die seit Jahren kein sensorisches Feedback mehr von den Extremitäten bekommen, verändern sich diese Muster, sie sind nicht mehr so klar. Bei unserem Piloten ist es daher viel schwieriger, eine Differenzierung der Signale hinzubekommen.

«Je mehr richtige Kommandos der Pilot während des Spiels sendet, desto schneller wird sein Auto fahren.»

Dann braucht es umso raffiniertere Algorithmen, mit denen Sie die Signale analysieren.

Genau. Die elektrische Aktivität des Gehirns ist sehr klein, vor allem im Vergleich mit der elektrischen Aktivität, die von den Muskeln kommt. Also etwa von den Gesichtsmuskeln oder von Augenbewegungen. Eine erste Herausforderung besteht somit darin, das Hirnsignal von verschiedenen muskulären Artefakten zu reinigen. Sobald die Daten bereinigt sind, beginnen wir mit der eigentlichen Analyse. Um die Muster im motorischen Cortex zu erkennen, verwenden wir verschiedene Methoden des maschinellen Lernens. Computerwissenschaftler der Technischen Universität Nanyang in Singapur schauen sich jede Woche die neuen mit dem Piloten gewonnenen Daten an und passen den Algorithmus leicht an. Der Algorithmus ist also speziell auf unseren Piloten zugeschnitten. Wenn ich mit diesem Algorithmus ein Auto steuern wollte, würde das überhaupt nicht funktionieren.

Wie genau läuft dann der Wettkampf ab?

Jedes Rennen dauert maximal vier Minuten, und es gibt insgesamt drei Versuche. Wenn man für die virtuelle Strecke von 500 Metern länger braucht als vier Minuten, wird man für diesen Versuch disqualifiziert. Letztlich zählt die Zeit, die der Pilot für die 500 Meter braucht. Je mehr richtige Kommandos er während des Spiels sendet, desto schneller wird sein Auto fahren und desto schneller kann er den Parcours absolvieren.

Vier Minuten scheinen kurz zu sein für ein Autorennen.

Vier Minuten volle Konzentration, ohne gross zu blinzeln, ohne den Kopf zu bewegen, das ist schon ziemlich anstrengend.

Samuel Kunz bei einem Rennen: Er steuert das grüne Auto auf dem Bildschirm mit Gedanken durch den Parcours.
Samuel Kunz bei einem Rennen: Er steuert das grüne Auto auf dem Bildschirm mit Gedanken durch den Parcours.
Foto: Alessandro Della Bella (ETH Zürich Cybathlon)

Warum verwenden Sie eine mit Elektroden besetzte Kappe auf der Kopfhaut? Man könnte Elektroden auch direkt ins Hirn implantieren.

Mit Elektroden, die direkt ins Gehirn eingesetzt werden, hätten wir einen klaren Vorteil: Man erhält viel deutlichere Signale als über eine Kappe. Bei Personen, die aus medizinischen Gründen bereits ein Hirnimplantat besitzen, kann man natürlich weitere Forschung zur Hirn-Computer-Schnittstelle betreiben. Aber man würde einer gesunden Person niemals ein Hirnimplantat einsetzen, da Komplikationen schwerwiegend sein können. Mit der Kappe verwenden wir daher eine nicht invasive und somit sichere Methode.

Welche praktischen Anwendungen könnte die Navigation eines Autos mittels Gedanken haben?

Die langfristige Vision ist, dass Tetraplegiker verschiedene Assistenzsysteme – das kann ein Handy sein oder ein Rollstuhl – mit Hirnaktivität steuern können. Aber davon sind wir noch sehr weit entfernt. Zum einen braucht es Fortschritte in der Hardware. Diese müsste viel mobiler und einfacher zu bedienen sein. Wenn man wie wir nicht invasiv misst, ist das Signal sehr stark verrauscht. Deshalb müssen wir noch einiges lernen, bis sich Hirnstrommessungen zur Steuerung von Assistenzsystemen nutzen lassen. Momentan ist es viel einfacher, aus Augenbewegungen oder aus noch vorhandener Muskelaktivität ein Signal abzulesen, um Assistenzsysteme zu steuern.

«Bei verschiedenen neurologischen Erkrankungen kann man mithilfe von Hirn-Computer-Schnittstellen die Neurorehabilitation fördern.»

Warum erforscht man dann die Steuerung mit Gedanken?

Wir entwickeln Hirn-Computer-Schnittstellen nicht nur für Assistenzsysteme, sondern auch für die Rehabilitation. Bei verschiedenen neurologischen Erkrankungen, zum Beispiel nach einem Hirnschlag, kann man mithilfe von Hirn-Computer-Schnittstellen die Neurorehabilitation fördern.

Wie stehen die Chancen, dass Samuel Kunz den Wettkampf gewinnt?

Ich kenne unsere Mitstreiter leider nicht sehr gut. Es ist aber so, dass es für unseren Piloten besonders schwierig ist, die Aufgabe zu bewältigen. Denn je stärker die Beeinträchtigung, desto schwieriger ist es wahrscheinlich, die gedankliche Bewegung der verschiedenen Muskeln in den Hirnströmen zu erkennen. Zwar sind alle Piloten Tetraplegiker. Aber es gibt Tetraplegiker, die inkomplett gelähmt sind. Die haben noch vorhandene motorische und sensorische Aktivität, können vielleicht noch ihren Arm heben. Unser Pilot zeigt nur wenig muskuläre Aktivität unterhalb der Halswirbelsäule. Daher ist die Herausforderung für ihn besonders gross.

2 Kommentare
    W.Grab

    Leider (oder zum Glück) können auch die modernsten Technologien noch keine Gedanken lesen. Die Wissenschaft hat nur eine ganz geringe Ahnung was und wie „Gedanken“ im Hirn sind.

    Ihre Methoden lassen sich mit frühen Satellitenaufnahmen vergleichen: sie erkennen die Städte und einzelne Strassenzüge. Sie würden gerne ins Shopping Center reinschauen und die Produkte-Logistik verstehen und entschlüsseln. Aus anderen Quellen wissen sie, dass die „Konsumenten mit Kreditkarten zahlen“.

    Das wäre dann Gedanken lesen. Geht noch etwas länger als 14 Tage.

    Die beschriebenen Experimente (obschon vielversprechend und sehr anspruchsvoll) laufen vergleichsweise etwa auf der Ebene „Wetterprognose von Satelliten“ ab. Sie sind erstaunlich gut, wenn sie mit terrestrischen Sensordaten verbunden sind.