Gehirnflexibilität hilft beim Prothesentraining
Wissenschaftler arbeiten an der Entwicklung von Prothesen, die durch Gedanken gesteuert werden. Menschen, die von Verletzungen des Rückenmarks oder einer Amputation genesen, werden sich freuen, wenn sie eine neue EU-finanzierte Studie, lesen, die zeigt, dass das Gehirn flexibler und trainierbarer ist als bisher angenommen. In ihrem Artikel in der Zeitschrift Nature erklärt das aus portugiesischen und amerikanischen Forschern bestehende Team, wie durch einen Prozess namens Plastizität Teile des Gehirns so trainiert werden können, dass sie etwas tun, was sie normalerweise nicht machen würden. Das Team fand heraus, dass die gleichen Schaltkreise im Gehirn, die für das Erlernen motorischer Fähigkeiten, wie zum Beispiel Radfahren oder Autofahren zuständig sind, auch für rein mentale Aufgaben, auch willkürliche, eingesetzt werden können. Dies ist auch die erste Studie, die erfolgreich die Rolle der körperlichen Bewegung ausschließt, wenn die Verwendung einer Prothese erlernt wird. Einer der Autoren der Studie, Dr. Rui Manuel Marques da Costa Fernandes vom Champalimaud-Zentrum für das Unbekannte (Champalimaud Centre for the Unknown) in Lissabon, Portugal, erhielt eine Finanzhilfe für Nachwuchsforscher (Starting Grant) des Europäischen Forschungsrats (European Research Council, ERC) in Höhe von mehr als 1,5 Millionen EUR für seine Arbeit am Projekt NEUROHABIT ("Neural mechanisms of action learning and action selection: From intent to habit"), das zur Studie beigetrug. Ein weiterer Autor der Studie, Jose Carmena von der University of California, Berkeley in den Vereinigten Staaten, kommentiert die Ergebnisse der Studie: "Wir hoffen, dass unsere neuen Einblicke in die Verschaltung des Gehirns zu einer breiteren Palette von besseren Prothesen führen werden, die sich so echt wie möglich anfühlen. Eine Gehirn-Maschine-Schnittstelle steuern zu lernen, was eigentlich unnatürlich ist, kann für einen Menschen völlig normal werden, weil bei diesem unnatürlichen Lernprozess die im Gehirn bereits existierenden integrierten Schaltungen für natürliche Bewegungssteuerung verwendet werden. Dies ist der Schlüssel für Menschen, die sich nicht mehr bewegen können. Die meisten Studien zu Gehirn-Maschine-Schnittstellen wurden an gesunden, nicht behinderten Tieren durchgeführt. Was unsere Studie zeigt, ist, dass neuroprothetische Kontrolle möglich ist, auch wenn keine körperliche Bewegung beteiligt ist." Bei dem durchgeführten Versuch wurde untersucht, ob Ratten eine abstrakte Aufgabe erfüllen konnten, ohne dass offenkundige körperliche Bewegung beteiligt war. Die Forscher entkoppelten die Rolle der gezielten motorischen Neuronen, die für das Schnurrbartzucken benötigt werden, von der notwendigen Aktion, um eine Belohnung in Form von Nahrung zu erhalten. Die Ratten wurden mit einer Gehirn-Maschine-Schnittstelle ausgestattet, die Gehirnwellen in Töne umwandelt. Um eine Belohnung zu bekommen, mussten die Ratten ihre Denkmuster innerhalb einer bestimmten Gehirn-Schaltung modulieren, um die Tonhöhe des Signals anzuheben oder abzusenken. Die Ratten erhielten ein Ton-Feedback, sodass sie lernten, bestimmte Denkmuster mit einer bestimmten Tonhöhe zu assoziieren. Innerhalb von nur zwei Wochen hatten die Ratten schnell gelernt, dass sie einen hohen Ton erzeugen mussten, um etwas zu essen zu bekommen. Um Zucker ins Wasser zu bekommen, mussten sie einen tiefen Ton erzeugen. Wenn die Gruppe von Neuronen in der Aufgabe für ihre normale Funktion, dem Schnurrbartzucken verwendet wurde, veränderte sich der Ton nicht und damit gab es auch keine Belohnung. "Das ist für Ratten unnatürlich", kommentiert Dr. Costa. "Es zeigt uns, dass es möglich ist, eine Prothese herzustellen, die die Anatomie des natürlichen motorischen Systems nicht nachahmen muss, um zu funktionieren." Die Forscher hoffen, dass diese Erkenntnisse zu einer neuen Generation von Prothesen führen wird, die sich natürlich anfühlen und von den Patienten benutzt werden können, ohne viel darüber nachdenken zu müssen, wie die Roboterextremität zu bewegen ist.Weitere Informationen erhalten Sie hier: University of California - Berkeley: http://www.berkeley.edu/(öffnet in neuem Fenster)
Länder
Portugal, Vereinigte Staaten