Autor: Volkart Wildermuth

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Neurofeedback und die Schnittstelle Computer/Gehirn

Gedankenlesen im Hirnscanner, eine direkte Verbindung zwischen Willen und Prothese, Elektroden zur Feinjustierung der Gefühle: Viele Science-Fiction-Ideen sind heute Realität – zumindest in den Laboratorien der Wissenschaft. Und noch viel mehr wird versprochen in den Werbeprospekten von Neuro-Startups.

Welche Ideen den Sprung in die breite Anwendung schaffen können, lässt sich schwer abschätzen. Aber eines ist klar: die direkte Schnittstelle Gehirn/Computer wird zumindest in einigen Bereichen das traditionelle Menschenbild herausfordern.

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Sendung als Podcast

Download Funkkolleg Biologie und Ethik (14), MP3-Audioformat, 26:50 Min., 49.1 MB

Sendung in hr-iNFO: 17.02.2018, 11:30 Uhr

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Zusatzmaterial

1. Neurophilosophie & Neuroethik
2. Elektroenzephalogramm (EEG)
3. Neurowissenschaft & Neurotechnologie
4. Bereitschaftspotential
5. Amyotrophe Lateralsklerose
6. Brain-Computer-Interfaces
7. Tiefenhirnstimulation/Interventionelle Biologische Psychiatrie
8. Belohnungszentrum
9. Cochlea-Implantate

1. Neurophilosophie & Neuroethik

Die Neurophilosophie ist eine eigenständige Disziplin, die sich mit interdisziplinären Fragestellungen zwischen Philosophie und Neurowissenschaften befasst. Das Gehirn kann als zentrales Problemfeld der Neurophilosophie angesehen werden, denn es weist sowohl neurowissenschaftliche als auch philosophische Bezüge auf.

Das Gehirn ist nicht nur Gegenstand experimenteller Untersuchungen in den Neurowissenschaften, sondern steht auch in einem engen Zusammenhang mit mentalen Zuständen, die subjektiv erlebt und in der Philosophie des Geistes kontrovers diskutiert werden. Die Neurophilosophie verknüpft daher neurowissenschaftliche und philosophische Theorien miteinander.

Die Neuroethik ist ein interdisziplinärer Wissenschaftszweig und verwendet Methoden der Philosophie sowie der empirischen Sozialforschung. Sie reflektiert ethische Implikationen der Neurowissenschaften von der Grundlagenforschung bis zur praktischen Anwendung und will für alle Handlungs- und Entscheidungsträger (Einzelpersonen, Institutionen, Staaten, überstaatliche Organisationen) normative Orientierung geben (vgl. Jox 2017, 11).

Weiterführende Literatur

• Walter, H (2000). Neurophilosophie. Spektrum Online. (http://www.spektrum.de/lexikon/neurowissenschaft/neurophilosophie/8695)
• Walter, H (1999). Neurophilosophie der Willensfreiheit. Von libertarischen Illusionen zum Konzept natürlicher Autonomie. 2., unveränd. Aufl., Paderborn [u.a.]: Mentis.
• Sturma, D (Hrsg.) (2006). Philosophie und Neurowissenschaften. Frankfurt am Main: Suhrkamp.
• Geyer, C (Hrsg.) (2004). Hirnforschung und Willensfreiheit. Zur Deutung der neuesten Experimente. Frankfurt am Main: Suhrkamp.
• Hildt, E (2012). Neuroethik. München [u.a.]: Reinhardt.
• Northoff, G/ Witzel, J & Bogerts, B (2006). Was ist „Neuroethik“ – eine Disziplin der Zukunft? Nervenarzt 77 (1): 5-11. (DOI: 10.1007/s00115-005-1895-8)
• Northoff, G & Heinzel, A (2001). Neurophilosophie: eine begriffliche und methodische Charakterisierung. Schweiz Arch Neurol Psychiatr 152 (3): 114-122. (PDF)
• Ayan, S (Hrsg.) (2017). Rätsel Mensch – Expeditionen im Grenzbereich von Philosophie und Hirnforschung. Berlin [u.a.]: Springer. (DOI: 10.1007/978-3-662-50327-0)
• Schleim, S/ Spranger, TM & Walter, H (Hrsg.) (2009). Von der Neuroethik zum Neurorecht? Göttingen: Vandenhoeck & Ruprecht.
• Vaas, R (2000). Willensfreiheit. Spektrum Online. (http://www.spektrum.de/lexikon/neurowissenschaft/willensfreiheit/14020)
• Stephan, A (2000). Leib-Seele-Problem. Spektrum Online. (http://www.spektrum.de/lexikon/neurowissenschaft/leib-seele-problem/6967)
• Churchland, PS (1986). Neurophilosophy. Toward a unified science of the mind-brain. Cambridge, Mass. [u.a.]: MIT Press.
• Schleim, S & Walter, H (2007). Gedankenlesen mit dem Hirnscanner? Nervenheilkunde 26 (6): 505-510. (PDF)
• Könneker, C (Hrsg.) (2007). Wer erklärt den Menschen? Hirnforscher, Psychologen und Philosophen im Dialog. 3. Aufl. Frankfurt: Fischer-Taschenbuch-Verl.
• Clausen, J/ Müller, O & Maio, G (2008). Die „Natur des Menschen“ in Neurowissenschaft und Neuroethik. Würzburg: Königshausen & Neumann.
• Herrmann, CS/ Pauen, M/ Rieger, JW & Schicktanz, S (Hrsg.) (2005). Bewusstsein. Philosophie, Neurowissenschaften, Ethik. München: Fink.
• Skript von Markus Christen von der Universität Zürich zum Thema „Neuroenhancement und Neuroethik“ (https://www.encyclog.com/_upl/files/10_z_richHfH.pdf)
• Jox, RJ (2017). Was ist Neuroethik und wozu brauchen wir sie?, in: Erbguth, F & Jox, RJ (Hrsg.). Angewandte Ethik in der Neuromedizin. Berlin [u.a.]: Springer, 3-12. (DOI: 10.1007/978-3-662-49916-0_1)
• Metzinger, T (2005). Unterwegs zu einem neuen Menschenbild. Eine noch junge Disziplin erforscht die Ethik der Neurowissenschaft und die Neurowissenschaft der Moral. GEHIRN&GEIST 11: 50-54. (PDF)

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2. Elektroenzephalogramm (EEG)

Die Geschichte der Elektroenzephalographie wird auf den Seiten der Dt. Gesellschaft für klinische Neurophysiologie und funktionelle Bildgebung (DGKN) nachvollzogen:

http://dgkn.de/die-dgkn/geschichte/

Die DGKN hat sich zur Aufgabe gemacht, für diesen Zweig der klinischen Messungen Richtlinien und Empfehlungen zu formulieren:

http://dgkn.de/richtlinien/eeg/

Eine Definition und Erklärung, was bei einem EEG gemessen wird, für welche medizinischen Fragestellungen die Messdaten Aussagen liefern können und welche Frequenzbereiche unterschieden werden, wird im psychologischen Lexikon auf den Spektrum-Webseiten gegeben:

http://www.spektrum.de/lexikon/psychologie/elektroenzephalographie/3968

In folgendem kurzen Film werden die Gehirnfunktionen erklärt und die Funktionsweise von Messungen der Gehirnfunktion und -aktivität über ein EEG.

Direkt auf YouTube einzusehen unter https://youtu.be/3KP7YPLDba8.

Die Publikation aus dem Jahr 2012 erläutert die medizinischen Anwendungsmöglichkeiten von EEG-Daten:

Graf, W & Hamer, HM (2012). Elektroenzephalografie. Eine Übersicht. Nervenheilkunde 31 (5): 325-333. (PDF)

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3. Neurowissenschaft & Neurotechnologie

Hirnforschung ist aufgrund der fachlichen und methodischen Anforderungen eine Mischwissenschaft aus verschiedenen Disziplinen, wie Psychologie, Medizin, aber auch Geistes-, Natur- und Ingenieurwissenschaften. Sobald die klinische Diagnostik mit ins Spiel kommt, wird der Bereich der Neurotechnologie wichtig, denn hier wird moderne Informationstechnologie benötigt.

Der folgende Spektrum-Artikel gibt eine gute Einführung:

http://www.spektrum.de/alias/r-hauptkategorie/neurowissenschaften-in-kuerze/949211

Ein Spiegel-Artikel des Jahres 2008 hat als Titel „Die 7 größten Rätsel der Hirnforschung“, und man erahnt aus diesen allgemeinverständlichen Beschreibungen heraus, wieviel Forschungspotential die Neurowissenschaften noch in sich bergen.

http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/neurowissenschaft-die-sieben-groessten-raetsel-der-hirnforschung-a-568451.html

Eine Studiengangs-Infobroschüre (PDF), die durch die Studienmöglichkeiten in der deutschen Hochschullandschaft leitet, bietet auch einiges an Informationen über die Interdisziplinarität der „Neuro-Fächer“.

Darin auch folgende Abbildung:

Eine Reihe weiterer „Neuro-Seiten“ mit vielen verschiedenen Informationen und Hinweisen zu z.B. Netzwerken und Gesellschaften, Forschungseinrichtungen wird hier angeboten:

http://www.spektrum.de/alias/r-hauptkategorie/neuro-links/949307

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4. Bereitschaftspotential

Eine allgemeine Definition des Bereitschaftspotentials gibt das Spektrum-Lexikon:

http://www.spektrum.de/lexikon/neurowissenschaft/bereitschaftspotential/1383

Die in der Definition genannten Fachbegriffe, z.B. betreffend der aktivierten Hirnrindenregionen, sind weiter verlinkt: präzentraler Cortex, prämotorischer Cortex, supplementärmotorisches Gebiet, zentraler Gyrus cinguili.

Der Begriff „Bereitschaftspotential“ ist übrigens einer, der es als deutscher Fachbegriff ohne Übersetzungs-Äquivalent in die Fachliteratur geschafft hat. Wie man eindrucksvoll im Suchergebnis der wissenschaftlichen Online-Literaturseite ScienceDirect.com sieht:

https://www.sciencedirect.com/topics/neuroscience/bereitschaftspotential

In einem verschriftlichten Interview (PDF) aus dem Jahr 2016 äußert sich Prof. Joachim Bauer zu den Inhalten seines Buches „Selbststeuerung: die Wiederentdeckung des freien Willens“ und einleitend geht es folglich auch um das Bereitschaftspotential und das vorhandene Vermögen, Situationen zu antizipieren. Im Weiteren bewegt sich die Thematik dann eher in eine Richtung „Kontrolle und aktive Steuerung“ des eigenen Willens – was nicht uninteressant ist, aber die Thematik der aktuellen Sendung nicht direkt betrifft.

Zur noch gar nicht so alten Historie des Bereitschaftspotentials gibt es im Manuskript folgenden Hinweis:
„Dieses Bereitschaftspotenzial ist übrigens in den 60er Jahren von zwei Freiburger Forschern entdeckt worden, nämlich von Hans Helmut Kornhuber und Lüder Deecke, die damit beide weltberühmt wurden.“

Die zu Beginn des Artikels erwähnten Zweifel, ob angesichts des Bereitschaftspotentials überhaupt der freie Wille zur Entscheidung bestünde, wurden in einem raffinierten Experiment widerlegt. Einzelheiten in einem Artikel der FAZ von 2016:

http://www.faz.net/aktuell/wissen/ist-das-gehirn-fremdgesteuert-endlich-befreit-14034210.html

Ein langer Artikel aus dem Archiv des Deutschlandfunks Kultur erörtert die Thematik rund um das Bereitschaftspotential und den freien Willen versus intuitives Handeln nochmals eingehend. Das Libet-Experiment zum Bereitschaftspotential wird beschrieben und die daraus abgeleiteten Schlussfolgerung, dass das Bewusstsein hinterherhinke. Ebenso werden aber auch kontra-intuitive Ergebnisse dargelegt, die aus einer anderen Versuchsreihe stammen: das menschliche Gehirn hat bereits 7 Sekunden vor einer Handlung beschlossen, sie auszuführen. Der Artikel endet mit Betrachtungen aus philosophischer Sicht zur geschilderten Determinismus-Diskussion: wie definiert man eigentlich den freien Willen?

http://www.deutschlandfunkkultur.de/neue-erkenntnisse-zur-willensfreiheit-wie-das-gehirn.976.de.html?dram:article_id=371055

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5. Amyotrophe Lateralsklerose

Die Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) wurde 1869 erstmals von Jean-Martin Charcot umfassend beschrieben. (Charcot, JM & Joffroy, A (1869). Deux cas d’atrophie musculaire progressive avec lésions de la substance grise et des faisceaux antérolatéraux de la moelle épinière. Archives de physiologie normale et pathologique 2: 354-367.) Sie ist eine chronisch-degenerative Erkrankung des zentralen Nervensystems (ZNS), die mit einer Atrophie der Skelettmuskulatur und Pyramidenbahnzeichen (Reflexe oder unwillkürliche, rhythmische Muskelkontraktionen der Pyramidenbahn, die sich vom Rückenmark bis ins Gehirn zieht) einhergeht.

Direkt auf YouTube einzusehen unter https://www.youtube.com/watch?v=IRQb4lkGeVE.

• Petrucelli, L & Gitler, AD (2018). Wie kommt es zur gefürchteten ALS? Spektrum Online (http://www.spektrum.de/news/genetische-ursachen-von-als-neue-therapien-fuer-die-amyotrophe-lateralsklerose/1532877)
• Brenner, D et al. (2018). Hot-spot KIF5A mutations cause familial ALS. Brain. (DOI: 10.1093/brain/awx370) (PDF). (vgl. http://biermann-medizin.de/forscher-identifizieren-neues-als-gen/)
• Ärtzeblatt Online (2018). Wissenschaftler beschreiben neuen Krankheits­mechanismus bei ALS. (https://www.aerzteblatt.de/nachrichten/sw/Amyotrophe%20Lateralsklerose?nid=88967)
• Naumann, M et al. (2018). Impaired DNA damage response signaling by FUS-NLS mutations leads to neurodegeneration and FUS aggregate formation. Nat Commun 9 (1): 335. (DOI: 10.1038/s41467-017-02299-1). (PDF)
• Drexler, I & Weber, M (2015). Amyotrophe Lateralsklerose. Diagnose und Therapie der häufigsten Motoneuron-Erkrankung. PSYCHIATRIE & NEUROLOGIE 3: 22-26. (PDF)
• Kollewe, K & Petri, S. (2009). Amyotrophe Lateralsklerose. Klin Neurophysiol 40: 3-16. (DOI: 10.1055/s-0028-1090207) (PDF)
• Weishaupt, JH/ von Lewinski, F/ Bähr, M & Keller, BU (2006). Motoneuronerkrankungen und amyotrophe Lateralsklerose (ALS): von der molekularen Analyse der Ursachen zu neuen therapeutischen Ansätzen. Neuroforum 12 (4): 252-259. (PDF)
• Almer, G (2003). Amyotrophe Lateralsklerose. Überlegungen zu Ursprung und Pathophysiologie der Erkrankung. J Neurol Neurochir Psychiatr 4 (4): 6-12. (PDF)
• Borasio, GD (1996). Amyotrophe Lateralsklerose (ALS): molekulare Pathogenese und experimentelle Therapie. Neuroforum 2 (4): 5-13. (DOI: 10.1515/nf-1996-0403)
• Schneck, D (2014). Amyotrophe Lateralsklerose (ALS). Apotheken Umschau Online (https://www.apotheken-umschau.de/Amyotrophe-Lateralsklerose)
• ZEIT Online (2011). Mediziner entdecken Ursache für Nervenleiden ALS. (http://www.zeit.de/wissen/gesundheit/2011-08/ursache-amyotrophe-lateralsklerose)

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6. Brain-Computer-Interfaces (BCI)

Ein Spektrum-Artikel aus dem Jahr 2016 beschreibt vor dem Hintergrund des jährlich ausgetragenen „Cybathlon“-Wettkampfes, welche technischen Möglichkeiten die sogenannten „Gehirn-Computer-Schnittstellen“ heute bereits bieten. Welche Signale können von den EEG-Geräten in welcher Qualität aufgenommen und interpretiert werden?

http://www.spektrum.de/news/gehirn-computer-schnittstellen-werden-alltagstauglicher/1398145

Bereits im Jahr 2009 wurde eine technisch sehr ausgereifte Apparatur vorgestellt, die zwar aussieht wie eine Badekappe mit Kabeln, aber tatsächlich konnten damit Gehirnsignale in Steuerungsimpulse umgewandelt werden.

http://www.spektrum.de/news/die-unsichtbare-hand-der-gedanken/1002878

Ein Kapitel des Forschungsberichtes des Max-Planck-Institutes für Intelligente Systeme in Tübingen beschreibt die BCI-Technik als neuen Kanal der Kommunikation. Was kann eine solche Schnittstelle und was kann sie nicht?

https://www.mpg.de/5019039/Gehirn-Computer_Schnittstellen

Ein kurzer Lehrfilm der BCI-Forschergruppe der Max-Planck-Gesellschaft (https://ei.is.tuebingen.mpg.de/research_groups/brain-computer-interfaces-group) illustriert die ambitionierte Forschung zur Entwicklung einer funktionstüchtigen BCI. Die Arbeitsgruppe arbeitet an BCIs zur Kommunikation und zur Rehabilitation. Aber die Aufgabenstellung ist nicht trivial: Die vielfältigen Signale müssen zunächst präzise nach den gesuchten Signalen gefiltert werden – das menschliche Gehirn denkt eben nicht nur einen Gedanken gleichzeitig.

Direkt auf YouTube einzusehen unter https://www.youtube.com/watch?v=N7SiDQHVuYM.

Auch ein Kurzfilm in englischer Sprache zeigt mit guten Erklärungen und schnellen Schnitten, wie BCIs funktionieren.

Direkt auf YouTube einzusehen unter https://www.youtube.com/watch?v=7t84lGE5TXA.

Das Ziel des Forschungszentrums „BrainLinks-BrainTools“ der Universität Freiburg ist das  Erreichen eines neuen Niveaus der Interaktion zwischen technischen Instrumenten und dem Gehirn, welches echte Kommunikation zwischen Gehirn und technischem Instrument ermöglicht. Hieran arbeiten Lebens- und Ingenieurswissenschaften gemeinsam mit klinischen Anwendern:
https://www.brainlinks-braintools.uni-freiburg.de/de/

Ein kurzes Video gibt Einblick in die Arbeit des Zentrums:

Direkt auf YouTube einzusehen unter https://youtu.be/AZRor87t3j8.

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7. Tiefenhirnstimulation/Interventionelle Biologische Psychiatrie

Die Tiefe Hirnstimulation (THS,  auch Tiefenhirnstimulation) ist ein grundsätzlich reversibler, neurochirurgischer Eingriff ins Gehirn, der zur Behandlung bestimmter neurologischer Erkrankungen (z.B. Parkinson) zugelassen ist. Das Verfahren wird auch als „Hirnschrittmacher„ bezeichnet und wurde weltweit bisher bei etwa 120.000 Patienten angewandt. In der EU ist es für die Behandlung folgender Erkrankungen zugelassen: essentieller Tremor (seit 1995), Parkinson (1998), Dystonie (2003), Zwangserkrankungen (2009), und Epilepsie (2010). Das Leben der Betroffenen wird dadurch erheblich verbessert.
Die entsprechende Wikipedia-Seite gibt einen guten Überblick über Anwendungsgebiete, Funktionsweise und Schrittmacher-System:

https://de.wikipedia.org/wiki/Tiefe_Hirnstimulation

Im 2006 gegründeten Verein „Arbeitsgemeinschaft Tiefe Hirnstimulation e. V.“ haben sich auf dem Gebiet aktive Wissenschaftler, Ärzte und Einrichtungen vernetzt, um die Forschung, klinische Versorgung und Fortbildung auf dem Gebiet der Tiefen Hirnstimulation zur Therapie neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen zu fördern. Die Webseite des Vereins informiert Patienten, gibt einen Überblick über laufende Studien und listet alle in Deutschland aktiven THS-Zentren auf.

http://www.tiefehirnstimulation.de/

Ein spezieller Anwendungsbereich der Hirnstimulation ist die Psychiatrie. Auf der Seite der  Deutschen Gesellschaft für Hirnstimulation in der Psychiatrie e.V. (DGHP) findet sich ein Überblick über die hier angewandten Methoden und die in diesem Gebiet aktiven Forschungszentren:

http://www.dghp-online.de

Ein aktueller Artikel der Apotheken-Umschau fasst die Wirksamkeit von Gehirnschrittmachern bei Parkinson zusammen und verweist auf weitere Quellen:

https://www.apotheken-umschau.de/Hirnschrittmacher

Ein Beitrag des Deutschlandfunks nimmt sich der möglicherweise auftretenden Nebenwirkungen an, zu denen beispielsweise Persönlichkeitsveränderungen gehören:

http://www.deutschlandfunk.de/persoenlichkeitveraenderungen-nach-tiefenhirnstimulation.709.de.html?dram:article_id=89294

In der Pharmazeutischen Zeitung finden sich mehrere fundierte Artikel zu Funktionsweise und Potential der THS:

https://www.pharmazeutische-zeitung.de/index.php?id=32184
https://www.pharmazeutische-zeitung.de/index.php?id=71285

Inzwischen wird angenommen, dass mittels THS auch auf das Immunsystem Einfluss genommen werden kann:

https://www.pharmazeutische-zeitung.de/index.php?id=71285

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8. Belohnungszentrum

Zwei US-Forscher entdeckten 1954 das Belohnungszentrum zufällig, als sie bei Versuchen zum Lernverhalten von Laborraten einem Tier die Elektrode zur Hirnreizung versehentlich falsch platzierten: Die Ratte verabreichte sich anschließend wiederholt selbst die das Belohnungssystem stimulierenden Stromschläge, die sie als angenehm empfand.
Diese Entdeckung und die Funktionsweise des Motivationssystems werden zum Beispiel hier beschrieben:

https://www.dasgehirn.info/denken/motivation/schaltkreise-der-motivation

Das Belohnungszentrum wird auch als mesolimbisches System bezeichnet und ist entscheidend an der Entstehung von Freude und Wohlbefinden beteiligt. Das österreichische Gesundheitsportal forumgesundheit.at gibt einen guten Abriss über das Belohnungszentrum als Triebfeder menschlichen Verhaltens:

http://www.forumgesundheit.at/portal27/forumgesundheitportal/content?contentid=10007.772253&viewmode=content

Entscheidend an den Vorgängen im Belohnungszentrum beteiligt ist der Neurotransmitter Dopamin. Ein kurzer Artikel auf Spektrum.de fasst die Auswirkungen von Dopamin und dessen Schwankungen auf das Belohnungszentrum zusammen:

http://www.spektrum.de/news/auswirkungen-von-dopamin-und-dessen-schwankungen-auf-das-belohnungszentrum/1205455

Ein Artikel zum Zusammenhang zwischen Belohnungszentrum und Drogenkonsum findet sich auf dem Info-Portal www.dasgehirn.info:

https://www.dasgehirn.info/denken/motivation/sucht-motivation-zu-schlechten-zielen

Eine englischsprachige Übersicht über wissenschaftliche Artikel zu Funktionen des mesolimbischen Systems findet sich auf dem Portal Sciencedirect.com (die Zusammenfassungen sind kostenlos, die vollständigen Artikel meist kostenpflichtig):

https://www.sciencedirect.com/topics/neuroscience/mesolimbic-pathway

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