Eine Abbildung zeigt die Elektrodenanordnung am Gehirn des Probanden, einschließlich einer Darstellung, welcher Teil des Gehirns jeden Finger steuert.

Credit: Guy Hotson

Physiker und Biomedizintechniker von Johns Hopkins berichten über den ihrer Meinung nach ersten erfolgreichen Versuch, Finger einzeln und unabhängig voneinander zu bewegen, indem sie einen gedankengesteuerten künstlichen „Arm“ verwenden, um die Bewegung zu steuern.

Der Machbarkeitsnachweis, der diese Woche online im Journal of Neural Engineering beschrieben wurde, stellt einen potenziellen Fortschritt bei Technologien dar, mit denen eine verfeinerte Handfunktion für Menschen wiederhergestellt werden kann, die ihre Arme durch Verletzungen oder Krankheiten verloren haben, so die Forscher. Dem jungen Mann, an dem das Experiment durchgeführt wurde, fehlte weder ein Arm noch eine Hand, aber er wurde mit einem Gerät ausgestattet, das im Wesentlichen die Vorteile eines Brain-Mapping-Verfahrens nutzte, um die Kontrolle über seinen eigenen Arm und seine eigene Hand zu umgehen.

„Wir glauben, dass dies das erste Mal ist, dass eine Person, die eine gedankengesteuerte Prothese benutzt, sofort einzelne Fingerbewegungen ohne umfangreiches Training ausgeführt hat“, sagt der Hauptautor Nathan Crone, M.D., Professor für Neurologie an der Johns Hopkins University School of Medicine. „Diese Technologie geht über die bisher verfügbaren Prothesen hinaus, bei denen sich die künstlichen Zehen oder Finger als eine Einheit bewegten, um eine Greifbewegung auszuführen, wie z. B. das Greifen eines Tennisballs.

Für das Experiment rekrutierte das Forscherteam einen jungen Mann mit Epilepsie, der sich bereits einer Gehirnkartierung unterziehen sollte, um den Ursprung seiner Anfälle zu ermitteln.

Die Aufzeichnungen des Gehirns wurden mit Hilfe von Elektroden gemacht, die aus klinischen Gründen implantiert wurden. Die Signale steuern auch eine modulare Gliedmaßenprothese, die vom Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory entwickelt wurde.

Vor dem Anschluss der Prothese kartierten und verfolgten die Forscher die spezifischen Teile des Gehirns des Patienten, die für die Bewegung jedes Fingers verantwortlich sind, und programmierten dann die Prothese so, dass sie den entsprechenden Finger bewegt.

Zunächst platzierte der Neurochirurg des Patienten eine Anordnung von 128 Elektrodensensoren – alle auf einem einzigen rechteckigen Folienblatt von der Größe einer Kreditkarte – auf dem Teil des Gehirns des Mannes, der normalerweise Hand- und Armbewegungen kontrolliert. Jeder Sensor maß einen Kreis aus Hirngewebe mit einem Durchmesser von 1 Millimeter.

Das vom Johns Hopkins Team entwickelte Computerprogramm ließ den Mann auf Kommando einzelne Finger bewegen und zeichnete auf, welche Teile des Gehirns „aufleuchteten“, wenn jeder Sensor ein elektrisches Signal erfasste.

Zusätzlich zur Erfassung von Daten über die Teile des Gehirns, die an motorischen Bewegungen beteiligt sind, maßen die Forscher die elektrische Hirnaktivität, die am Tastempfinden beteiligt ist. Dazu wurde der Versuchsperson ein Handschuh mit kleinen, vibrierenden Summern in den Fingerspitzen angezogen, die in jedem Finger einzeln ausgelöst wurden. Die Forscher maßen die daraus resultierende elektrische Aktivität im Gehirn für jede Fingerverbindung.

Nachdem die motorischen und sensorischen Daten gesammelt worden waren, programmierten die Forscher die Armprothese so, dass sie die entsprechenden Finger bewegte, je nachdem welcher Teil des Gehirns aktiv war. Die Forscher schalteten die Armprothese ein, die über die Gehirnelektroden mit dem Patienten verkabelt war, und forderten die Versuchsperson auf, an die individuelle Bewegung von Daumen, Zeige-, Mittel-, Ring- und Kleinfinger zu „denken“. Die im Gehirn erzeugte elektrische Aktivität bewegte die Finger.

„Die Elektroden, die in dieser Studie zur Messung der Hirnaktivität verwendet wurden, ermöglichten uns eine bessere Auflösung einer großen Region der Hirnrinde als alles, was wir bisher verwendet haben, und erlaubten eine präzisere räumliche Zuordnung im Gehirn“, sagt Guy Hotson, Doktorand und Hauptautor der Studie. „Diese Präzision hat es uns ermöglicht, die Kontrolle über die einzelnen Finger zu trennen.“

Anfänglich hatte das gedankengesteuerte Glied eine Genauigkeit von 76 Prozent. Als die Forscher den Ringfinger und den kleinen Finger miteinander koppelten, stieg die Genauigkeit auf 88 Prozent.

„Der Teil des Gehirns, der den kleinen Finger und den Ringfinger steuert, überschneidet sich, und die meisten Menschen bewegen die beiden Finger zusammen“, sagt Crone. „

Die Forscher weisen darauf hin, dass die Versuchspersonen nicht vortrainiert werden mussten, um dieses Maß an Kontrolle zu erlangen, und dass das gesamte Experiment weniger als zwei Stunden dauerte.

Crone gibt zu bedenken, dass die Anwendung dieser Technologie auf Menschen, denen tatsächlich Gliedmaßen fehlen, noch einige Jahre auf sich warten lässt und kostspielig sein wird, da umfangreiche Kartierungen und Computerprogrammierungen erforderlich sind. Nach Angaben der Amputee Coalition leben in den USA mehr als 100.000 Menschen mit amputierten Händen oder Armen, von denen die meisten potenziell von dieser Technologie profitieren könnten.

Zusätzliche Autoren der Studie sind David McMullen, Matthew Fifer, William Anderson und Nitish Thakor von Johns Hopkins Medicine und Matthew Johannes, Kapil Katyal, Matthew Para, Robert Armiger und Brock Wester vom Johns Hopkins Applied Physics Laboratory.

Diese Studie wurde vom National Institute of Neurological Disorders and Stroke (Zuschussnummer 1R01NS088606-01) finanziert.