Ein Drittel der Intensivpatienten, die nach einer Hirnverletzung wie im Koma wirkten, konnte in einer Studie einen Computer allein mit Gedanken steuern. Über gewöhnliche EEG-Elektroden am Kopf veränderten 13 von 41 Patienten mit schwerer Hirnverletzung das Tempo eines Pieptons, obwohl sie äußerlich auf keine Aufforderung reagierten. Wer die Gehirn-Computer-Schnittstelle bedienen konnte, erholte sich danach deutlich häufiger. Noch handelt es sich um eine kleine Studie an einer einzelnen Klinik, und echte Gespräche sind mit dem System bislang nicht möglich.
Wer nach einem Schlaganfall, einer Hirnblutung oder einem schweren Unfall auf der Intensivstation liegt und weder die Augen öffnet noch eine Hand drückt, gilt im Klinikalltag als nicht ansprechbar. Angehörige sitzen am Bett und wissen nicht, ob ihre Worte ankommen. Seit einigen Jahren mehren sich jedoch die Hinweise, dass ein Teil dieser Menschen sehr wohl etwas mitbekommt. Ihr Gehirn versteht Aufforderungen und versucht, sie auszuführen, doch das Signal erreicht die Muskeln nicht. Mediziner sprechen von einem verborgenen Bewusstsein oder einer kognitiven motorischen Dissoziation, kurz CMD.
Ein Team um den Neurologen Jan Claassen von der Columbia University in New York ist nun einen Schritt weiter gegangen. Die Forscher wollten nicht nur messen, ob ein scheinbar bewusstloser Mensch innerlich reagiert, sondern ihm ein Werkzeug in die Hand geben, mit dem er selbst etwas bewirken kann. Ihre Ergebnisse haben sie im Fachmagazin Brain veröffentlicht.
Das System kommt ohne Operation und ohne Implantat aus. Es nutzt die Elektroenzephalografie (EEG), bei der Elektroden auf der Kopfhaut die elektrische Aktivität des Gehirns aufzeichnen. Auf neurologischen Intensivstationen gehört diese Messung ohnehin zur Routine, um etwa versteckte epileptische Anfälle zu erkennen. Claassens Team ergänzte das EEG um ein Computerprogramm, das die Hirnströme in Echtzeit auswertet und in einen Ton übersetzt. Über Kopfhörer hörten die Patienten einen Piepton und eine aufgezeichnete Stimme. Sie sollten den Ton schneller machen, indem sie immer wieder versuchten, die rechte Hand zu öffnen und zu schließen, und ihn verlangsamen, indem sie damit aufhörten. Da die Patienten ihre Hand nicht sichtbar bewegen konnten, zählte allein das Muster im EEG, das beim Versuch einer Bewegung entsteht.
Entscheidend ist, dass die Patienten das Tempo selbst bestimmten. Der Computer gab ihnen über den Ton unmittelbar eine Rückmeldung, und die Stimme lobte sie, wenn sie das Ziel erreichten. Fachleute nennen eine solche Gehirn-Computer-Schnittstelle selbstgesteuert, weil der Nutzer und nicht die Maschine den Ablauf vorgibt. Getestet wurde das Verfahren wenige Tage nach der Einlieferung bei 41 klinisch nicht ansprechbaren Patienten mit akuter Hirnverletzung. Zum Vergleich probierten es 8 gesunde Freiwillige und 22 wache Intensivpatienten aus.
Nach einem kurzen Training schafften es 13 der 41 scheinbar bewusstlosen Patienten, den Ton gezielt zu steuern. Das entspricht 32 Prozent und damit fast jedem Dritten. Bei 8 Patienten oder 20 Prozent fand ein separater Test zusätzlich Hinweise auf verborgenes Bewusstsein. Dafür werteten die Forscher mit maschinellem Lernen das EEG aus, während die Patienten Bewegungsaufforderungen hörten. Nach Angaben der Columbia University konnten alle Patienten mit nachgewiesenem verborgenem Bewusstsein auch die Schnittstelle bedienen. Die Steuerung erfasste demnach noch mehr Menschen als der bisherige Nachweis.
Leicht fiel die Aufgabe nicht einmal den Wachen. Alle gesunden Freiwilligen kamen zurecht, von den wachen Intensivpatienten aber nur 9 von 22, also 41 Prozent. Das zeigt, wie anstrengend schon die Konzentration auf eine gedachte Handbewegung ist, wenn ein Mensch schwer krank ist. Auffällig war auch das Tempo. Bei den scheinbar bewusstlosen Patienten dauerte es im Mittel knapp 50 Sekunden, bis sich die Absicht im Ton niederschlug. Bei wachen Patienten waren es etwa 17 Sekunden, bei Gesunden rund 15 Sekunden. Die Signale sind also da, aber schwächer und langsamer.
Dass verborgenes Bewusstsein kein Einzelfall ist, hatte Claassens Gruppe bereits 2019 gezeigt, als ein EEG verborgenes Bewusstsein bei Patienten mit Hirnverletzung aufspürte. Damals reagierte das Gehirn von 15 Prozent der nicht ansprechbaren Patienten messbar auf Aufforderungen. Eine große internationale Studie fand später ähnliche Muster auch bei Menschen, die schon lange nicht reagieren. Neu ist nun, dass die Patienten nicht nur passiv getestet werden, sondern über die Schnittstelle selbst etwas auslösen.
Besonders bemerkenswert sind die Verläufe der Patienten. Von den 13 Patienten, die den Ton steuern konnten, hatten 4 bei der Entlassung aus dem Krankenhaus ihr Bewusstsein auch äußerlich sichtbar wiedererlangt, das sind 31 Prozent. Von den 28 Patienten ohne Kontrolle über die Schnittstelle war es nur einer, also rund 4 Prozent. Nach zwölf Monaten konnten 6 der 13 Patienten mit Kontrolle, also 46 Prozent, ihren Alltag wieder für mindestens acht Stunden ohne fremde Hilfe bewältigen. In der Gruppe ohne Kontrolle gelang das nur 2 von 28 Patienten oder 7 Prozent. Patienten mit Kontrolle erreichten diese Selbstständigkeit zudem schneller.
Keiner der Patienten, die weder die Schnittstelle bedienen konnten noch im separaten Test Hinweise auf verborgenes Bewusstsein zeigten, erholte sich in diesem Zeitraum. Die Forscher folgern, dass die Kontrolle über die Gehirn-Computer-Schnittstelle ein starker Hinweis auf die Erholungschancen nach einer akuten Hirnverletzung ist. Für Ärzte und Familien könnte das in Zukunft wichtig werden, denn Entscheidungen über die Fortsetzung oder Begrenzung einer Therapie fallen auf Intensivstationen oft in den ersten Tagen. Ein zusätzliches, objektives Signal aus dem Gehirn könnte verhindern, dass Menschen mit Bewusstsein für aussichtslos gehalten werden.
Allerdings sind die Zahlen klein und die statistischen Unsicherheiten groß. Die Studie lief an einem einzigen Zentrum, und die Werte zur Vorhersage schwanken je nach Berechnung über eine weite Spanne. Das Fehlen einer Steuerung beweist zudem nicht, dass ein Mensch nichts wahrnimmt. Müdigkeit, Medikamente, Schwankungen der Wachheit oder Störungen des Hörens können dazu führen, dass ein Patient die Aufgabe im Moment des Tests nicht bewältigt, obwohl er bei Bewusstsein ist. Schließlich scheiterte auch mehr als die Hälfte der wachen Intensivpatienten an der Aufgabe.
Bisher stützte sich die Suche nach Bewusstsein bei nicht ansprechbaren Menschen häufig auf die funktionelle Magnetresonanztomografie. Mit ihr konnten Forscher zum Beispiel zeigen, dass Hirnscans bei Wachkoma-Patienten ein aktives Bewusstsein sichtbar machen. In einem Fall beantwortete ein Patient über den Scanner sogar einfache Ja-Nein-Fragen. Für den Alltag auf der Intensivstation taugt das Verfahren aber kaum, denn schwer kranke Menschen müssen dafür in eine laute Röhre gebracht werden, und die Geräte sind teuer und knapp.
Das EEG dagegen steht ohnehin am Bett. „Das EEG wird auf der Intensivstation jeden Tag in der klinischen Praxis eingesetzt“, sagt Claassen laut einer Mitteilung der Columbia University Irving Medical Center. Anspruchsvoll sei nur das Computerprogramm, das die Daten in Echtzeit analysiere und die Rückmeldung an den Patienten anpasse. Darin sieht der Neurologe einen großen Fortschritt, weil sich das Verfahren grundsätzlich überall dort einsetzen ließe, wo bereits EEG-Geräte vorhanden sind. Überraschend war für das Team, dass die Patienten den Ton schon wenige Tage nach einer schweren Hirnverletzung steuern konnten.
Der Unterschied zu bekannten Hirnimplantaten ist erheblich. Bei Menschen mit Lähmungen oder der Nervenkrankheit ALS haben Forscher Elektroden direkt auf der Hirnoberfläche platziert und damit beeindruckende Ergebnisse erzielt. So spricht ein Gelähmter dank Hirnimplantat wieder in Echtzeit. Für Patienten, die wenige Tage nach einem Unfall oder einer Blutung um ihr Leben kämpfen, kommt eine solche Operation jedoch nicht infrage. Eine Elektrodenhaube auf der Kopfhaut ist dagegen ungefährlich und lässt sich jederzeit wieder entfernen.
Noch ist die Schnittstelle ein Weg in nur eine Richtung. Die Patienten zeigen, dass sie eine Aufgabe verstehen und ausführen können, sagen aber noch nichts über ihre Wünsche, Schmerzen oder Ängste. Die Forscher sehen in ihren Daten jedoch erste Hinweise, dass sich daraus eine Kommunikation in beide Richtungen entwickeln lässt. „Unsere Gehirn-Computer-Schnittstelle ist nur ein erster Schritt, aber sie zeigt, dass wir einigen dieser Patienten in Zukunft hoffentlich eine Stimme geben könnten“, sagt Claassen. Ziel sei, dass Patienten ihren Ärzten und Angehörigen mitteilen können, ob sie Schmerzen haben oder hungrig sind.
Auch die Betroffenen selbst wurden befragt. Alle 37 wachen Patienten und Angehörigen, die an einer Umfrage teilnahmen, sprachen sich deutlich für den künftigen Einsatz solcher Geräte aus. Sie regten zudem Verbesserungen an, etwa die Stimme eines vertrauten Menschen statt einer fremden Aufnahme, kulturell passende Inhalte und Funktionen, die Schmerz, Hunger oder Wachheit erkennen. Bevor das System in Kliniken eingesetzt werden kann, muss es allerdings in größeren Studien an mehreren Zentren bestätigt werden. Erst dann wird sich zeigen, wie zuverlässig der Piepton im Kopfhörer verrät, wer hinter der reglosen Fassade wach ist.
Brain, Clinically unresponsive patients with acute brain injury activate a brain-computer interface; doi:10.1093/brain/awag210
Columbia University Irving Medical Center, A Brain-Computer Interface May Give Unresponsive ICU Patients a Voice
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