Vorhersage von Bewegungen aus Hirnströmen

Freiburger Neurowissenschaftler präsentieren neuartigen Ansatz zur Entwicklung von motorischen Neuroprothesen

Forschern der Fakultät für Biologie ist es gelungen, Armbewegungen aus neuronalen Populationssignalen vorherzusagen. Eine solche Methode ist von unmittelbarem Nutzen für die Entwicklung von motorischen Neuroprothesen – darunter versteht man Systeme, die die willentliche Steuerung eines künstlichen Effektors (beispielsweise ein Roboterarm für Querschnittsgelähmten) ermöglichen sollen und zwar mittels Bewegungskommandos die der eigenen Hirnaktivität entnommen werden. Die in der Dezemberausgabe der Zeitschrift „Nature Neuroscience“ erscheinende Arbeit stellt einen bedeutsamen Fortschritt in diesem hochaktuellen Forschungsgebiet dar, da sie zeigt, daß im Gehirn gemessene Signale größerer Gruppen von Nervenzellen – die sogenannten lokalen Feldpotentiale – eine Alternative zu dem bisher von den meisten Wissenschaftlern zur Ansteuerung einer neuronalen Prothese favorisierten Einzelzellsignalen darstellt.

In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Hebrew University in Jerusalem (Israel) untersuchten die Freiburger Forscher zunächst den Zusammenhang zwischen den im Jerusalemer Labor im motorischen Areal der Großhirnrinde von Affen gemessenen lokalen Feldpotentialen und den vom Affen durchgeführten Armbewegungen. Durch die Anwendung neuer mathematischer Verfahren aus dem Bereich der Informatik, gelang es nun den Freiburger Wissenschaftlern, die gemessene Hirnaktivität zu entschlüsseln und somit die Bewegungsrichtung mit hoher Präzision und sogar annähernd den kompletten zweidimensionalen Bewegungsverlauf vorherzusagen. Die Vorhersage mit Hilfe von lokalen Feldpotentialen war dabei ähnlich genau wie die mit Hilfe der Einzelzellsignale. Beide zusammen genommen lieferten sogar ein noch besseres Ergebnis.

Angesichts der Schwierigkeit, stabile Langzeitmessungen von Einzelzellsignalen durchzuführen, lautet eine wichtige Schußfolgerung aus diesen Ergebnissen, dass lokale Feldpotentiale ein attraktives alternatives Signal zur Ansteuerung neuronaler Prothesen darstellen. Aus dem Freiburger Ansatz lassen sich für die Zukunft wichtige klinische Anwendungen erhoffen.

Kontakt:

Prof. Dr. Ad Aertsen
Institut für Biologie III
Schänzlestr. 1
79104 Freiburg
Tel.: 0761/203-2718
E-mail: ad.aertsen@biologie.uni-freiburg.de

Dr. Carsten Mehring
Institut für Biologie I
Hauptstr. 1
79104 Freiburg
Tl: 0761/203-2543
E-mail: carsten.mehring@biologie. uni-freiburg.de