Brain-Computer Interface

„Medizintechnik darf der ethischen Aufarbeitung nicht davongaloppieren“

Röntgenbild eines Schädels; darin sieht man ein lilafarbenes Gehirn; Dioden laufen durch das Bild.

Brain Computer Interfaces werfen zahlreiche ethische Fragen auf: Welche Patienten eignen sich für klinsiche Studien, was geschieht nach Abschluss der Studie, können sie das BCI selbst ein- und ausschalten?

Quelle: the_lightwriter/Fotolia

Schnittstellen zur Übertragung von Hirnaktivität in Steuerungssignale für Computer, sogenannte Brain-Computer-Interfaces (BCI), ermöglichen schwerstgelähmten Patienten, Robotiksysteme zu steuern und mit ihrer Umwelt zu kommunizieren – wenn auch nur in begrenztem Rahmen. Dr. Philipp Kellmeyer forscht am Epilepsiezentrum der Klinik für Neurochirurgie des Universitätsklinikums Freiburg an einem Mikroelektrodennetz zur Signalableitung für ein BCI, das auf die Hirnhaut implantiert wird. Diese Neurotechnologie wirft ethische Fragen auf, die Dr. Kellmeyer neben den technischen Neuerungen im Interview mit Medizintechnologie.de erörtert. von Anja Speitel

Was ist das Problem bisheriger BCIs?

Dr. Philipp Kellmeyer: Seit rund 15 Jahren basieren BCI-Systeme auf der Elektroenzephalographie (EEG): Hirnelektrische Aktivität wird mittels Elektroden auf der Kopfhaut abgeleitet. Diese EEG-basierten BCIs sind allerdings sehr anfällig für Störsignale: Jede Steckdose und jedes elektrische Gerät im Umfeld des BCI kann schon ein Störfeld erzeugen, was die Ableitung und Genauigkeit der hirnelektrischen Aktivität stört. Zudem ist die Informationstransferrate relativ niedrig, wodurch die Steuerung beispielsweise eines Buchstabiersystems bislang nur sehr langsam gelingt. Darüber hinaus gibt es Schwierigkeiten in der Signalanalyse.

Philipp Kellmeyer: junger Mann, etwa Mitte 30, dunkelblond, Vollbart, Brille

Dr. Philipp Kellmeyer ist Facharzt für Neurologie und forscht zurzeit in der Arbeitsgruppe von PD Dr. Tonio Ball am Epilepsiezentrum der Klinik für Neurochirurgie des Universitätsklinikums Freiburg. In dem vom Bundesforschungsministerium geförderten Verbundprojekt „MOTOR-BIC: Implantierbare, bidirektionale Gehirn-Computer-Schnittstelle zur Wiederherstellung motorischer Funktionen“ beschäftigt sich Dr. Kellmeyer neben seiner Forschungstätigkeit auch mit neuroethischen Fragen, insbesondere im Bereich der Neurotechnologie.

Quelle: Kellmeyer

Welche neuen Ansätze gibt es?

Wenn die ableitenden Elektroden unter der Schädeldecke liegen, gibt es weniger Störfelder und somit ein besseres Signal. Seit ein paar Jahren forscht man deshalb an invasiver BCI-Technologie. Ein US-Amerikanisches System verwendet Nadelelektroden, die direkt in die Hirnoberfläche eingestochen werden, zur Ableitung hirnelektrischer Aktivität. Ein anderer Ansatz, die sogenannte Elektrokortikographie (ECoG), nutzt Elektrodennetze, die direkt auf die Großhirnrinde gelegt werden. Bei beiden Ansätzen müssen Schädel und Hirnhaut geöffnet werden, was ein Infektionsrisiko mit sich bringt.

Was ist neu an dem von ihrer Forschungsgruppe entwickelten BCI?

Forschungen der letzten Jahre haben gezeigt, dass die Signalqualität mit ECoG über der harten Hirnhaut gut ist. Wir implantieren daher mehrkanalige Mikroelektroden auf der Hirnhaut, was ein geringeres Infektionsrisiko birgt. Durch die Miniaturisierung der Elektroden können die hirnelektrischen Signale mittels sogenannter Mikro-Elektrokortikographie (Micro-ECoG) abgeleitet werden. Neu hierbei ist auch die komplett drahtlose Übertragung: Unser System dockt per Magnet an eine Steuerungseinheit außerhalb des Kopfes an und kommuniziert über Infrarotstrahlung. Dadurch werden Infektionsrisiken weiter vermindert, denn anders als bei den bisherigen Systemen muss kein Kabel durch die Schädeldecke nach außen zur Sendeeinheit gelegt werden. Zudem können wir durch fortschreitende Miniaturisierung der Elektroden deren Anzahl erhöhen. Dadurch wird die Signalanalyse viel exakter, man kann genau sehen: Hier bewegt sich ein Finger, da der Arm.

Wie weit sind Sie aktuell mit ihrem Projekt?

Die Materialprüfungen und Verträglichkeitsstudien des Implantats laufen noch und sehen vielversprechend aus. Jetzt sind wir in der Antragsphase für erste Pilotstudien am Menschen. Dabei verfolgen wir die Bedienung eines Buchstabiersystems durch per Micro-ECoG abgeleiteter Hirnaktivität: Durch Bewegungsvorstellungen wie beispielsweise Hand öffnen oder schließen lernen die Patienten, Buchstaben auszuwählen. Dabei kümmern wir uns auch um adaptive Aspekte wie Autovervollständigung von Text und die Lernfähigkeit des Systems: Es soll häufig benutzte Wörter wie Tasse oder Eigennamen erkennen und so die Kommunikation beschleunigen. Denn Befragungen zeigen: Schwerstgelähmte und ihre Familien wünschen sich nicht in erster Linie eine Roboterarm, sondern wollen vor allem miteinander kommunizieren – das ist emotional extrem wichtig.

Was ist die größte Herausforderung bei der ersten Pilotstudie am Menschen?

Man kann nicht gesunden Menschen den Schädel öffnen und dort Elektroden implantieren – die Nutzen-Risiko-Abwägung ist da eindeutig. Also möchten wir eine Studie an Patienten machen, die tatsächlich in ihrer Kommunikation eingeschränkt sind. Das sind zum Beispiel Patienten mit einem sogenannten Locked-in-Syndrom, das heißt einem fast vollständigen oder kompletten Verlust der motorischen Kontrolle. Mit Schwerstgelähmten ist es jedoch fast unmöglich, den komplizierten Sachverhalt einer Studie vernünftig zu besprechen. Da eine ethisch vertretbare Einwilligung zu bekommen, ist schwer.

Brain Computer Jnterface: Ein junger Mann im weißen Kittel beugt sich über einen anderen Menschen, der eine schwarz-gelble Kappe mit zahlreichen Löchern trägt.

Beim MOTOR-BIC-BCI nutzt der Patient Bewegungsvorstellungen, um Buchstaben auf einem Bildschirm anzuwählen. So kann er mit seiner Umwelt kommunizieren.

Quelle: Kellmeyer

Wie wollen Sie das lösen? 

Wir denken an Patienten mit Amyotropher Lateralsklerose (ALS): Bei dieser neurodegenerativen Erkrankung kommt es zum typischen Verlauf einer zunehmenden Lähmung bis hin zum Tod meist innerhalb weniger Jahre. Im Stadium, in dem der ALS-Patient noch alles kann, lassen sich mit ihm und seinen Angehörigen Nutzen und Risiken ausführlich besprechen. Der Patient kann alles genau prüfen, zum Beispiel per EEG-Haube die BCI-Steuerung üben, und hat Zeit, sich zu überlegen, ob er an der Studie teilnehmen möchte. Darüber hinaus müssen wir uns auch Gedanken darüber machen, was mit Patienten, denen der Chip implantiert wurde, passiert, wenn die Studien abgeschlossen sind.

Welche Fragen bewegen Sie da?

Also etwa: Wer entscheidet, wann und wie das System zum Einsatz kommt, wenn es nicht permanent angeschlossen ist? Wie lösen wir es, dass der Patient das System selber an- und ausschalten kann? Wer macht die Wartung? Wer ist verantwortlich, wenn Probleme auftreten, wer leistet den langfristigen technischen und medizinischen Support? Wer übernimmt die Kosten? Es ist sehr wichtig, diese Fragen begleitend zu diskutieren. Nicht, dass technische Entwicklungen der ethischen Aufarbeitung davongaloppieren! Wir wollen das proaktiv diskutieren – auch weil wir uns richtig eindenken sollten in die Situation Schwerstgelähmter und ihrer Familien: Wie können wir die Lebensqualität wirklich verbessern?

Welche Herausforderungen stellen sich auf der regulatorischen Ebene?

Das Implantat ist regulatorisch gesehen ein „aktives Medizinprodukt“. Erhält es die CE-Zertifizierung, ist es ab diesem Zeitpunkt nur noch über die Indikation reguliert. Hier kollidieren gelegentlich die Perspektiven der ärztlichen Ethik und der Industrie: Unternehmen fassen die Indikation gerne so weit wie möglich. Mir als Arzt und Forscher ist aber am wichtigsten, die Indikation so genau und damit so ethisch wie möglich zu fassen. Bei der Freiburger Neurotechnologie-Firma CorTec, die das „Brain Interchange“ System (BIC) mit der Technischen Fakultät Freiburg (IMTEK) entwickelt hat, habe ich den Eindruck, dass dort ebenfalls das Forschungsinteresse und nicht das kommerzielle Interesse im Vordergrund steht. CorTec ist aber aus einem interdisziplinären Forschungskonsortium entstanden – und hat die Forschungsethik wohl ein Stück weit in der Unternehmensphilosophie erhalten. Letztlich ist es neben der Verantwortung der klinischen Anwender also eine Frage der Unternehmensethik und der Regulierungsbehörde, wie weit oder eng man das Indikationsspektrum einer Innovation fasst.

Was wäre für Ihre Entwicklung das Worst-Case-Szenario?

Das Schlimmste aus Sicht des Arztes ist, wenn Patienten zu Schaden kommen, etwa weil ihnen das Implantat aus sinnlosen Gründen eingesetzt wird. Deshalb sollte der Einsatzbereich genau reguliert werden. Hierzulande und auch in Europa haben wir strenge Regelungen, das Potenzial für Missbrauch ist vergleichsweise gering. Aber im unregulierten Medizinmarkt weltweit erhöht zum Beispiel auch die risikoärmere Operationstechnik die Gefahr, dass nicht nur Neurochirurgen an universitären Zentren implantieren.

Welche Einsatzgebiete könnten einem da in den Sinn kommen?

Weil Implantate künftig auch die Fähigkeit zur Stimulation haben werden, könnten Ärzte – oder auch Patienten – auf die Idee kommen, andere neurologische Erkrankungen wie zum Beispiel die Alzheimer-Demenz behandeln zu wollen. Wir sehen das an der tiefen Hirnstimulation: Sie wurde zur Verbesserung der Symptome bei Morbus Parkinson entwickelt. Aber wofür wird sie jetzt zunehmend benutzt? Depression, Zwangs- und Angsterkrankungen, Tourette-Syndrom…

Ist es denn schlecht, den therapeutischen Nutzen auszuweiten?

Nein, aber das muss gut reguliert werden. Die Indikationsausweitung sollte nur über kontrollierte klinische Studien möglich sein. Gerade im weltweiten Kontext ist das ein Problem: Wenn die deutsche Ethikkommission ablehnt, gehen Unternehmen vielleicht in Länder, wo das laxer gehandhabt wird. Das machen Pharmafirmen für neue Medikamente im großen Stil; da werden die Risiken klinischer Studien outgesourced in Drittweltstaaten. Das ist ein großes Problem – auch, weil die Vergleichbarkeit der Daten nicht unbedingt gegeben ist.

Was wird noch möglich in Zukunft?

Ein Thema ist etwa die sensorische Rückkopplung: Es gibt bereits eine Roboterhand mit Sensoren an den Fingerspitzen, die Signale auf den Teil des Hirns überragen, der für Empfindung zuständig ist. Die sensorische Rückkopplung ist sehr wichtig, sonst wird Bewegung als fremd erfahren. Es muss sich alles zusammen weiterentwickeln.

Vielen Dank für das Gespräch!