Chip im Kopf: Gehirnprothesen einen oder zwei Schritte von der Kommerzialisierung entfernt

Der erste Patient, der einen Gehirnchip von Neuralink, einem Neurotechnologie Startup, das von Elon Musk mitbegründet wurde, erhielt, war der dreißigjährige amerikanische Querschnittgelähmte Noland Arbaugh, der den Chip zu Beginn des letzten Jahres implantiert bekam. Nach ihm erhielten zwei weitere Personen den Gehirnchip von dem Unternehmen, und bis Ende dieses Jahres sollen insgesamt dreißig gelähmte Patienten das Implantat erhalten.

Neuralink entwickelt digitale Geräte, die Querschnittgelähmten helfen, mit digitalen Geräten über ihre Gedanken zu interagieren. Dies umfasst ein integriertes BCI (Gehirn-Computer-Schnittstelle)-System für die direkte Kommunikation zwischen dem Gehirn und externen Geräten, im Wesentlichen ein Gerät, das Signale von Gehirnneuronen an externe Geräte überträgt.

Arbaugh ist jedoch nicht die erste Person, die ein BCI erhält; der gelähmte Amerikaner Nathan Copeland ist die Person mit der längsten Erfahrung im Umgang mit einem Gehirnchip. Das BCI, das am University of Pittsburgh Medical Center entwickelt wurde, hat es ihm ermöglicht, seit neun Jahren einen prothetischen Roboterarm mit seinen Gedanken zu bewegen. Neben Neuralink und Universitätsforschern arbeiten mehrere andere Unternehmen nun intensiv an der Kommerzialisierung von BCIs, um Menschen mit Lähmungen, psychischen Erkrankungen und sogar Blindheit zu helfen.

Nächste Generation von Implantaten

Die Gehirn-Computer-Schnittstelle von Neuralink, das N1-Implantat, hat die Größe einer Münze. Es handelt sich um eine invasive Gehirn-Computer-Schnittstelle, die ein Chirurg mit einem Roboter in das menschliche Gehirn implantiert, indem mikroskopisch kleine Fäden mit dünnen Elektroden unter der Kopfhaut platziert werden. Es ist unsichtbar und kann ohne physische Verbindungen zu externen Geräten verwendet werden. Sobald das N1 im Gehirn implantiert ist, beispielsweise in dem Bereich, der den Arm steuert, und Neuronen in diesem Bereich aktiviert werden, können Signale an einen Computer übertragen werden.

Dieser Gehirnchip wurde an Personen mit Rückenmarksverletzungen und an solchen mit degenerativen neurologischen Erkrankungen getestet, die die Verbindung zwischen Gehirn und Körper geschädigt haben. Er wird in dem Teil des Gehirns implantiert, der mit der motorischen Kontrolle verbunden ist, sodass Patienten Computer-Cursor (oder Roboterarme) mit ihren Gedanken steuern können. Bevor die Gehirn-Computer-Schnittstelle bei Menschen implantiert wurde, wurde sie an Tieren getestet und erwies sich als wirksam.

Elon Musk gründete Neuralink 2016 zusammen mit sieben Ingenieuren, um Gehirn-Maschinen-Schnittstellen zu entwickeln. Der reichste Mann der Welt investierte einhundert Millionen Dollar in die Gründung des Unternehmens, das heute, nachdem die Gehirn-Computer-Schnittstelle erfolgreich war, mit acht Milliarden Dollar bewertet wird. Zum Beispiel spielte Arbaugh, der nach einer Schwimminjury gelähmt wurde, erfolgreich Schach und Videospiele, nachdem er den Gehirnchip erhalten hatte.

Da jedoch nichts ewig währt, hat der Gehirnchip eine Lebensdauer, was bedeutet, dass sich seine Fäden im Laufe der Zeit lockern. Dennoch war eine neue Operation und die Implantation eines neuen Chips nicht notwendig, da die alte Software auf die ursprünglichen Einstellungen zurückgesetzt wurde.

Aus den ersten Erfahrungen lernten die Ingenieure von Neuralink und entwickelten eine neue Lösung: Die zweite und dritte Patientin hatten die Fäden tiefer im Gehirn platziert, um ein Dehnen während der Operation zu vermeiden. Der Name der zweiten Patientin, die im Juli des letzten Jahres den Gehirnchip implantiert bekam, wurde nicht bekannt gegeben, aber nach der Implantation spielte sie Videospiele und lernte, CAD-Software zu verwenden, um 3D-Objekte zu erstellen. Obwohl Neuralink keine Informationen über das dritte Implantat veröffentlicht hat, erklärte Musk, dass ‚es allen gut geht‘.

Lebensdauer

Er erklärte auch, dass das Unternehmen das Gerät mit mehr Elektroden, höherer Bandbreite und einer längeren Batterielebensdauer aufgerüstet hat, aber die Frage bleibt, wie lange die Gehirnchips von Neuralink nach der Implantation funktionieren werden.

– Ich überwache die Langlebigkeit – wird es fünf oder zehn Jahre funktionieren? Ähnliche Geräte versagen normalerweise nach zwei bis drei Jahren, aber die ultradünnen Fäden von Neuralink und die Vermeidung von Blutgefäßen während der Gehirneingabe könnten die Haltbarkeit des Geräts erhöhen – erklärte Bradley Greger, Professor für neuronale Technik an der Arizona State University.

Drei Neuralink-Implantate sind Teil der Prime-Studie, die Personen im Alter von 22 Jahren und älter mit Querschnittlähmung, eingeschränkter Funktion der Arme und Beine aufgrund von Rückenmarksverletzungen oder amyotropher Lateralsklerose (ALS) umfasst. Diese Studie bewertet die Sicherheit von Gehirnchips. Seit September des letzten Jahres führt Neuralink auch die Convoy-Studie durch, die die Erweiterung der Nutzungsmöglichkeiten von Gehirnchips untersuchen wird.

Laut Musk beabsichtigt das Unternehmen, bald Blindsight vorzustellen, ein Gerät zur Wiederherstellung des Sehvermögens bei blinden Personen, das direkt mit dem visuellen Kortex im Gehirn verbunden wird und ihnen hilft, zu sehen. Blindsight erhielt im September des letzten Jahres die Auszeichnung als bahnbrechendes Gerät von der U.S. Food and Drug Administration (FDA).

Licht für Blinde und Ängstliche

Während die Prime- und Convoy-Studien von Neuralink Implantate verwenden, um elektrische Aktivität im Gehirn aufzuzeichnen und in Signale umzuwandeln, würde das Blindsight-Gerät das Gehirn mit elektrischer Energie stimulieren, um blinden Patienten genügend Lichtpunkte zu geben, um ein grobes Bild zu erzeugen. Es gibt Hinweise darauf, dass die Technologie der Gehirn-Computer-Schnittstelle von Neuralink auch bei der Behandlung von Angstzuständen, Depressionen und posttraumatischen Belastungsstörungen durch Nervenstimulation angewendet werden könnte, aber nicht jeder ist darüber begeistert.

Einige Experten argumentieren, dass die Behandlung solcher Erkrankungen mit invasiven Neuroimplantaten ineffektiv sein wird, da diese Krankheiten nicht nur einen Bereich des Gehirns betreffen. Bis April dieses Jahres hatte Neuralink insgesamt 61 Patente, und das Ziel des Unternehmens ist es, dass seine Implantate es Menschen ermöglichen, eine Maus, eine Tastatur oder andere Technologien mit ihrem Gehirn zu steuern, indem sie neuronale Impulse als Daten nutzen. Neuralink ist nicht das einzige Unternehmen der Welt, das an der Innovation von Gehirn-Computer-Schnittstellen arbeitet.

Gedanken in Sätze umwandeln

Meta, ein Unternehmen, das Mark Zuckerberg gehört, arbeitet an der Entwicklung alternativer Geräte zu invasiven Gehirnchips. Ihre Forscher haben ein künstliches Intelligenzmodell namens Brain2Qwerty entwickelt, das verstehen kann, was eine Person denkt, und ihre Gedanken in Sätze umwandeln kann.

Sie behaupten, dass ihr Modell ein Schritt in Richtung der Entwicklung nicht-invasiver Gehirn-Computer-Schnittstellen ist, da es die Risiken eliminiert, die mit der Implantation invasiver Geräte in das menschliche Gehirn verbunden sind. Bestehende Geräte können die Kommunikation für Patienten wiederherstellen, die die Fähigkeit verloren haben zu sprechen oder sich zu bewegen, aber sie beseitigen nicht die Risiken während der Operation, wenn sie im Gehirn implantiert werden.

Die Forscher von Meta führten zwei separate Studien durch. Die erste konzentrierte sich darauf, Gehirnsignale in Wörter umzuwandeln, wobei Brain2Qwerty eine Genauigkeit von 68 Prozent bei der Vorhersage der Buchstaben, die die Teilnehmer tippte, erreichte. Die zweite Studie untersuchte, wie das Gehirn Sprache während des Tippens formt und sammelte tausend Aufzeichnungen der Gehirnaktivität pro Sekunde. Diese Aufzeichnungen wurden verwendet, um zu kartieren, wie das Gehirn einen Satz konstruiert.

Die Forscher entdeckten, dass das Gehirn Wörter und Buchstaben mithilfe eines dynamischen neuronalen Codes trennt, der die Art und den Ort der Informationsspeicherung verändert. Obwohl Brain2Qwerty menschliche Gedanken mit hoher Genauigkeit dekodieren kann, ist eine weitere Entwicklung noch erforderlich.

Den Cursor bewegen

Bisher war jedoch das amerikanische Unternehmen Synchron, das sich ebenfalls mit BCI beschäftigt, erfolgreicher als Neuralink und Meta, mit Investoren wie Jeff Bezos und Bill Gates. Synchron behauptet, ein Weltmarktführer im Bereich BCI zu sein, da es derzeit Tests an zehn Personen mit Gehirnchips durchführt, sechs in Amerika und vier in Australien, während Neuralink nur an drei testet. Darüber hinaus sind laut der US-Datenbank für Studien mehr als fünfundvierzig Forschungsprojekte zur Gehirn-Computer-Schnittstelle im Gange.

– Viele Forschungslabore haben gezeigt, dass Menschen Computer-Cursor genau mit BCI steuern können – erklärte Rajesh Rao, Direktor des Neurotechnology Centers an der University of Washington in den USA.

Laut ihm ist Neuralink jedoch einzigartig, da es das erste Unternehmen war, das während der Operation einen Roboter einsetzte, um flexible Elektrodenfäden in das menschliche Gehirn zu implantieren, um neuronale Aktivität aufzuzeichnen und Geräte zu steuern. Darüber hinaus können diese Fäden von mehr Neuronen aufzeichnen als andere Schnittstellen.

Dennoch führen seine Wettbewerber, wie das bereits erwähnte Synchron sowie Blackrock Neurotech und Onward Medical, bereits BCI-Tests an Menschen durch, wobei entweder weniger invasive Methoden oder vielseitigere Ansätze verwendet werden, die neuronale Aufzeichnung mit Stimulation kombinieren.

Europäische Unternehmungen und chinesische Errungenschaften

Europäische Wissenschaftler machen ebenfalls Fortschritte. Beispielsweise entwickelt das französische Startup Inclusive Brains eine nicht-invasive Gehirn-Computer-Schnittstelle, um die Inklusivität am Arbeitsplatz zu verbessern und die psychische und physische Gesundheit zu unterstützen. Darüber hinaus ging vor zwei Jahren ein gelähmter Mann aus den Niederlanden wieder, nachdem französische und schweizerische Forscher zwei Geräte implantiert hatten, um die Kommunikation zwischen seinem Gehirn und Rückenmark wiederherzustellen.

Chinesische Forscher bleiben ihren amerikanischen Kollegen nicht hinterher. Das Chinese Brain Research Institute und das staatliche Unternehmen NeuCyber Neurotech präsentierten den Beinao1-Gehirnchip, ein semi-invasives drahtloses Implantat, auf dem Zhongguancun-Technologieforum in Peking Ende März dieses Jahres. Er wurde bereits in die Gehirne von drei Patienten implantiert, und weitere zehn warten auf eine Operation, was bedeutet, dass insgesamt dreizehn in diesem Jahr implantiert werden.

Klinische Studien sind jedoch erst für 2026 geplant und werden an fünfzig Patienten durchgeführt. Das Unternehmen hat angekündigt, dass es auch Beinao2 entwickelt hat, einen invasiven Chip, der erfolgreich an einem Affen getestet wurde, der nach der Implantation einen Roboterarm steuern konnte. Das Ziel von NeuCyber ist es, Beinao1 zum Gehirnchip mit den meisten Patienten weltweit zu machen und führende globale Unternehmen in dieser Technologie zu übertreffen. Sie haben die Finanzierung dafür – NeuCyber gehört der Zhongguancun Development Corporation, die 2023 einen Umsatz von über einer Milliarde Dollar erzielte.

Teilnehmer rekrutieren

Allerdings erfordern all diese menschlichen Studien die Genehmigung bestimmter Institutionen. Die U.S. Food and Drug Administration (FDA) ist in den Prozess der Forschung an Hochrisikogeräten involviert, von der Rekrutierung von Patienten über die Testung von Geräten bis hin zur Datenanalyse. Die Kardiologin Dr. Rita Redberg von der University of California, San Francisco, die Hochrisikogeräte untersucht, erklärte, dass alle Forschungen, die Menschen betreffen, ein institutionelles Überprüfungsgremium erfordern, das auch ein unabhängiger Ethikrat sein kann.

Die Mitglieder müssen mindestens einen Nicht-Wissenschaftler sowie jemanden umfassen, der nicht mit der Institution oder Organisation verbunden ist, die im Gremium sitzt. Alle amerikanischen Unternehmen, die derzeit wissenschaftliche Studien durchführen und Gehirn-Computer-Schnittstellen testen, haben regulatorische Genehmigungen. Wenn beispielsweise die Tests von Neuralink für das N1-Implantat erfolgreich sind, würde die endgültige Genehmigung der U.S. FDA bedeuten, dass dieser Gehirnchip für gelähmte Personen kommerziell verfügbar wird.