Ausgabe 200

ÖSTERREICH JOURNAL NR.

ÖSTERREICH JOURNAL NR. 200 / 15. 10. 2021 Wissenschaft & Technik Computer dekodiert kontinuierliche Bewegungen aus Hirnsignalen An der TU Graz ist es erstmals gelungen, aus menschlichen Hirnsignalen die Absicht einer kontinuierlichen Bewegung auszulesen. Der Erfolg ermöglicht eine natürlichere und nichtinvasive Steuerung von Neuroprothesen in Echtzeit. Sie sollen querschnittgelähmten Menschen ein Stück Bewegungsfreiheit und damit mehr Lebensqualität zurückbringen: Sogenannte Brain-Computer-Interfaces (BCIs), das heißt Gehirn-Computer-Schnittstellen, die die Hirnaktivität der Person messen und die elektrischen Ströme in Steuerungssignale für Neuroprothesen umwandeln. „Steuern nur durch Denken“, wie es Gernot Müller- Putz vereinfacht formuliert. Der Leiter des In stituts für Neurotechnologie der TU Graz zählt zu den „alten Hasen“ der BCI-Forschung und beschäftigt sich intensiv mit nicht-invasiven BCI-Systemen. Er und sein Team haben in den letzten zehn Jahren erste positive Ergebnisse mit der EEG-basierten Steuerung von Neuroprothesen oder robotischen Armen bei Personen mit Rückenmarks - verletzungen erzielt. Allerdings war die Steuerung bislang unnatürlich und umständlich, weil die Denkmuster wiederholt imaginiert werden mußten. Im Rahmen seines jüngst abgeschlossenen ERC-Consolidator Grant- Projekts „Feel your Reach“ haben Müller- Putz und sein Team nun den Durchbruch bei der Entwicklung natürlicherer und kontinuierlicher BCI-Steuerungssysteme geschafft. Auf das Sehen kommt es an Den TU Graz-Forschenden ist es erstmals gelungen, einen Roboterarm rein durch Ge - danken in Echtzeit zu steuern, gewohnt nicht-invasiv mittels EEG-Kappe. Möglich wurde das durch das Dekodieren kontinuierlicher Bewegungsintention aus den Hirnsignalen – das war bislang unmöglich. Die Forschenden untersuchten zunächst eine Vielzahl an Bewegungsparametern wie Position, Geschwindigkeit aber auch Distanz, und ex - trahierten deren Korrelate aus der neuronalen Aktivität. „Wesentlich hierbei ist der Beitrag der Augen“, sagt Müller-Putz. „Es ist wichtig, daß Benutzerinnen und Benutzer die Augen verwenden dürfen, um die Bewegungsbahn des robotischen Armens zu verfolgen.“ Allerdings erzeugen Augenbewegungen und Lidschläge eigene elektrische Signale, sogenannte okulare Artefakte im Foto: Baustädter / TU Graz Erstmals ist es gelungen, einen robotischen Arm rein durch Gedanken in Echtzeit zu steuern, nicht-invasiv mittels EEG-Kappe. Hier im Bild: Das Versuchssetting. Vorne der robotische Arm, der vom Probanden (hinten) gesteuert wird. EEG. „Diese Artefakte verzerren das EEG- Signal. Sie müssen daher in Echtzeit rausgerechnet werden. Es ist aber essentiell, daß die Auge-Hand-Koordination stattfinden kann und so einen Beitrag zur Dekodierung der zielgerichteten Bewegungswünsche liefert“, erklärt Müller-Putz. Mit anderen Worten: Die Sehinformationen tragen dazu bei, die Bewegungsintention zu erfassen. Die Störsignale des Auges selbst aber müssen aus der elektrischen Aktivität herausgerechnet werden. BCI erkennt nicht erwünschte Bewegungen Wesentlich ist auch, daß eines der von den ForscherInnen entwickelten BCIs erkennen kann, ob man mit einer Bewegung starten möchte – es erkennt den Start einer zielgerichteten Bewegung. Darüber hinaus er - kennt und korrigiert ein weiteres BCI des Forschungsteams Fehler, also nicht er - wünschte Bewegungen des Roboterarms; ein weiterer Puzzlestein für eine natürlichere Prothesensteuerung. „Die Fehlerantwort des Gehirns läßt sich aus dem EEG ablesen. Das BCI erkennt, daß die ausgeführte Bewegung nicht mit der Intention der Person übereinstimmt. Es stoppt die Bewegung des Roboter - »Österreich Journal« – http://www.oesterreichjournal.at 120 arms oder setzt diese zurück an den Anfang“, so Müller-Putz. Im Projekt wurde die Fehlererkennung mehrfach in Tests mit querschnittgelähmten Personen erfolgreich getestet. Personen können Bewegungen des Roboterarms spüren Ebenfalls erfolgreich waren die TU Graz- Forschenden beim sogenannten kinästhetischen Feedback. „Die Testpersonen sehen die Bewegungen der Prothese nicht nur, sie spüren sie auch“, freut sich Müller-Putz. Technisch wurde dies mithilfe von Vibrationsgebern möglich. Diese kleben an der Haut am Schulterblatt und fahren die Bewegungen des Roboterarms in fein fließenden Vibrationen nach. Theoretisch sei es damit auch kom - plett Querschnittsgelähmten möglich, Bewegungen nachzuempfinden. „Allerdings müssen wir uns hier eine Anwendung im Bereich des Nackens oder Halses überlegen“, spricht Müller-Putz zukünftige Ziele an. Allen voran möchten die Forschenden das Dekodieren einer Bewegung aus visuellen, intentionalen und bewegungsempfindenden Informationen verbessern, dabei Fehler erkennen und alle vier BCI-Systeme in einem „Vierfach- BCI-System“ vereinen. n https://www.tugraz.at/

ÖSTERREICH JOURNAL NR. 200 / 15. 10. 2021 Wissenschaft & Technik Mutter und Kind: Durch Berührung im Gleichklang 121 Wechselseitige Anpassung der Gehirnaktivität und Herzrhythmen Foto: Trinh Nguyen Entwicklungspsychologinnen Trinh Nguyen und Stefanie Höhl von der Universität Wien untersuchten die wechselseitige Anpassung der Gehirnaktivität und Herzrhythmen von Mutter und Kind. Berührungen sind grundlegend für die zwischenmenschliche Kommunikation. Unklar war bisher, wie sich liebevolle Berüh - rung und Körperkontakt auf Gehirnaktivität und Herzschlag von Müttern und Babys auswirkt. Dieser Frage sind die Entwicklungspsychologinnen Trinh Nguyen und Stefanie Höhl von der Universität Wien in einer ak - tuellen Studie nachgegangen. Ihr Fazit: Die Gehirnaktivitäten zwischen Müttern und Babys paßten sich vor allem dann einander an, wenn sie engen Körperkontakt hatten und wenn die Mutter das Baby häufig liebevoll streichelte. Die Herzrhythmen von Mutter und Baby waren vor allem im gemeinsamen Spiel im Gleichklang. Die Studie erscheint aktuell im Fachjournal „NeuroImage“. Liebevolle Berührungen und Körperkontakt stellen Verbundenheit her und können Streß reduzieren. Bei Paaren wurde dieser po - sitive Effekt mit einer gegenseitigen Angleichung von Gehirnaktivitäten und Herzrhythmen in Verbindung gebracht. Da Berührungen schon im Säuglingsalter grundlegend für die Kommunikation zwischen Bezugsperson und Säugling sind, haben sich Trinh Nguyen, Stefanie Höhl und KollegInnen aus den USA die Frage gestellt, ob Nähe und Berührungen auch zur Anpassung der Gehirn- und Herzrhythmen von Mutter und Baby beitragen. In der neuen Studie haben vier bis sechs Mo nate alte Babys mit ihren Müttern ge - meinsam gespielt und Videos geschaut. Da - bei wurde durch funktionelle Nah-Infrarotspektroskopie (fNIRS) die Gehirnaktivität und durch Elektrokardiographie (EKG) der Herz - rhythmus von Mutter und Säugling gleichzeitig gemessen. Bei fNIRS werden Änderungen der Sauerstoffsättigung in der äußersten Schicht des Gehirns erfaßt – hier insbesondere im Frontalhirn. Eine Aktivierung in dieser Region steht im Zusammenhang mit gegenseitiger emotionaler Anpassung, Aufmerksamkeit sowie Selbstregulierung. Diese Prozesse sind besonders relevant für soziale Interaktionen und entwickeln sich im Laufe des ersten Jahres. Die Ergebnisse zeigten, daß Mutter-Baby- Paare ihre Gehirnaktivität vor allem dann wechselseitig anpaßten, wenn sie sich berühr - ten. Dies funktionierte sowohl wenn die Mut - »Österreich Journal« – http://www.oesterreichjournal.at ter das Baby eng am Körper hielt und beide ein Video anschauten als auch wenn sie ge - meinsam spielten und die Mutter dabei das Kind liebevoll berührte, z.B. durch Küssen, Streicheln und sanfte Massage. Die neue Stu - die belegt, daß Berührungen eine grundlegende Rolle in der frühen Anpassung der Ge hirnaktivität zwischen Müttern und Säuglingen spielt. Eine Anpassung der Herzrhythmen zeigte sich zwar auch, wenn Mutter und Baby miteinander spielten, war aber unabhängig von den Berührungen. Beim Herz schlag zeigte sich vor allem dann eine ge - genseitige Anpassung, wenn Babys Unwohlsein signalisierten, was sich vermutlich auf die Mütter übertrug. Wie sich die wechselseitige Anpassung in der Gehirnaktivität und den Herzrhythmen langfristig auf die Kindesentwicklung auswirkt, wollen Trinh Nguyen und Stefanie Höhl in weiteren Studien herausfinden. Insbesondere die spätere Beziehung zwischen Mutter und Kind, sowie die Sprachentwick - lung der Kleinen wird in Folgestudien untersucht. n https://www.univie.ac.at/