Montag, 11. November 2013

Affen steuern erstmals zwei virtuelle Arme mit Gedankenkraft


Affen-Avatar im bimanuellen Versuch. | Copyright: Duke Center for Neuroengineering

Durham (USA) - Erstmals ist es US-Forschern gelungen, Rhesusaffen beizubringen, wie sie alleine durch Gedanken an Bewegung und mittels einer Schnittstelle zwischen Hirn und Computer zeitgleich zwei rein virtuelle Arme steuern können. Bislang war dies nur mit einem Arm gelungen. Ziel des Projekts ist es, Patienten die Möglichkeit zu geben, künstliche Gliedmaßen ebenso mittels Gedanken steuern zu können wie gesunde.

Weltweit leiden Millionen von Menschen an sensorischen und motorischen Einschränkungen durch Amputation oder Verletzungen der Wirbelsäule. Mit Hilfe von neurologischen Schnittstellen zwischen Hirn und einem Computer bzw. daran angeschlossenen Maschinen wie Roboterarme oder Prothesen wollen Wissenschaftlern diesen Patienten eine nahezu natürlich Steuerung und Kontrolle über ihre Gliedmaßen zurückgeben. Bislang gelang eine solche Gedankesteuerung und Koordination der Bewegungen im Tierversuch an Rhesusaffen jedoch nur mit einem Arm.


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"Bimanuelle, also beidhändige Bewegungen sind Teil unsere täglichen Handlungen und Aktivitäten. Angefangen von Schreiben am Computer bis hin zum Öffnen einer Dose. Sie sind von grundlegender Bedeutung dafür, dass wir unseren Alltag meistern können", so Miguel Nicolelis vom Duke University Center for Neuroengineering. "Zukünftige Schnittstellen zwischen Hirn und Maschinen sollen Menschen wieder ihre Mobilität zurückgeben. Dies geht aber nur, wenn sie durch dieses Interface auch mehrere Gliedmaßen gleichzeitig lenken können."


Wie die Forscher um Nicolelis aktuell im Fachjournal "Science Translational Medicine" (DOI: 10.1126/scitranslmed.3006159) berichten, haben sie zuvor nahezu 500 Neuronen (Hirn-Nervenzellen) im morotischen Kortex beider Hirnhälften der Tiere aufgezeichnet, wie sie für die Kontrolle und Steuerung von Bewegungen verantwortlich sind.


In den Versuchen wurden die Äffchen anschließend darauf trainiert, sich anhand eines Avatars, also einer computergenerierten Abbildung von sich selbst, im Computer in einer virtuellen Umgebung zu bewegen und ihre virtuellen Hände derart auf spezielle Zielobjekte zu legen, wie dies eine bimanuelle Handlungsfähigkeit voraussetzt. Zunächst lernten die Affen hierzu die Avatar-Arme mittels eines Joysticks zu kontrollieren. Später dann gelang es den Affen, während ihre wirkliche Arme fixiert waren, mittels des implantierten Hirn-Interfaces die Arme ihrer virtuellen Abbilder auch alleine durch Gedanken an die jeweiligen Bewegungen zu steuern.


Die Ergebnisse der Experimente legen nahe, dass die Affen mit zunehmendem Training offenbar die Vorstellung der virtuellen Arme in ihr inneres Abbild vom eigenen Körper übernehmen. Zudem fanden die Forscher anhand der beobachteten Hirnaktivitäten heraus, dass größere Verbände von Neuronen für beidhändige Bewegungen verantwortlich waren als beim Einsatz von nur einem Arm. Das Gehirn beschränkt sich also nicht darauf, jene Signale einfach nur zu kombinieren, die getrennte Bewegungen des linken oder rechten Arms kontrollieren.


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Bimanuelle Bewegungen sind also offenbar mehr als nur die Summe der Einzelbewegungen eines einzelnen Arms, weshalb nun die Entwicklung komplexer Algorithmen notwendig seien, um die Hirnsignale in funktionierende Befehle etwa zur Gedankensteuerung von Exoskeletten innerhalb des sogenannten "Walk Again Projects" zu realisieren, wie sie schon zur Eröffnung der Fußball-Weltmeitserschaft 2014 erstmals präsentiert werden sollen.


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Quelle: duke.edu
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