Alles nur Kopfsache

Tetraplegiker messen sich am internationalen Wettkampf Cybathlon in einem virtuellen Rennen per Gedankensteuerung. Was für Voraussetzungen braucht es dazu? Ein Selbstversuch.

Das Brain-Computer-Interface übersetzt Gedankensignale in Befehle für den Avatar. Foto: Alessandro Della Bella (ETH Zürich)

Das Brain-Computer-Interface übersetzt Gedankensignale in Befehle für den Avatar. Foto: Alessandro Della Bella (ETH Zürich)

Martin Läubli@tagesanzeiger

Ich rechne. Multipliziere einfache Zahlen, teile sie. Immer wieder die gleichen Zahlen, die gleiche Rechnung. An nichts anderes denken als an Zahlen. Der Balken am unteren Rand des Bildschirms, der meine momentane Konzentrationsfähigkeit anzeigt, bewegt sich allmählich über die 50-Prozent-Marke. Das gelbe Männchen beginnt, Tempo aufzunehmen, es zappelt, rennt, hüpft über Hindernisse. Nur nicht nachlassen. Konzentrieren. Rechnen ist mir zu anstrengend. Ich fixiere mich einfach auf einen Punkt irgendwo auf dem Monitor. Die Methode ist erfolgreich. Der Avatar – so nennt man die virtuelle Figur, die stellvertretend für den Menschen am Computer etwas ausübt – ist nicht mehr zu halten.

Es gelingt mir tatsächlich. Nur mit der Kraft von Gedanken gebe ich einem Computer einen einfachen Befehl. Ein Sensor an meiner Stirn misst meine elektrische Hirnaktivität und gibt die Daten an den Computer weiter. In diesem Moment sind Mensch und Maschine eine Einheit. Die Wissenschaftler sprechen von Brain-Computer-Interface, kurz BCI. Oder einfach: Gedankensteuerung.

Sie ist eine von sechs Disziplinen am diesjährigen Cybathlon in Zürich. Der internationale Wettkampf, den die ETH Anfang Oktober veranstaltet, soll Innovationen fördern, die körperlich benachteiligten Menschen helfen, den Alltag besser zu meistern. Am Start sind unter anderem Forscherteams, die seit einem Jahr an Entwicklungen tüfteln, um die gestellte Aufgabe am besten zu erfüllen. Eine ist das virtuelle Rennen per Gedankensteuerung. Am Start werden Tetraplegiker sein – Menschen, die sich unterhalb des Halses schlecht oder gar nicht bewegen können.

Das Problem Entspannung

«Wir mussten uns bei der Aufgabenstellung am Stand der Technologie orientieren», sagt Roland Sigrist, der für die Entwicklung des Wettkampfreglements verantwortlich war. Das Gehirn produziert permanent Myriaden elektrischer Signale. «Die Herausforderung ist, eine Software zu programmieren, die aus diesem Rauschen das richtige Signal des Zielgedankens detektiert und dem Computer weitergibt», sagt der Bewegungswissenschafter an der ETH. Die aktiven Regionen des Gehirns, die eine Bewegung auslösen, seien heute relativ gut erkennbar.

90 Sekunden. Und das viermal in Folge. Ich mache einen guten Wettkampf. Nur: So einfach haben es die «Piloten», wie die Wettkämpfer am Cybathlon genannt werden, nicht. Sie müssen den Avatar mit drei verschiedenen Signalen, sprich Gedanken dirigieren. Er wird hüpfen, sich drehen und unter einem Hindernis durchkriechen müssen. Er wird nach dem Startschuss immer in Bewegung sein, der Pilot kann ihn mit den richtigen Gedanken beschleunigen und auf Kurs halten. Kommt ein falsches Signal, wird er abgebremst. Besonders anstrengend wird es, wenn das Computermännchen ein graues Feld erreicht. Hier läuft es nur schnell, wenn der Pilot möglichst nichts denkt, also keine Muster aktiver Hirnregionen erkannt werden können.

Auch ich habe einen ähnlichen Part bei meinem vereinfachten virtuellen Rennen zu bestehen. Kurz vor dem Ziel ist nochmals «Relax» verlangt. Der Avatar rennt nur, wenn ich mich entspanne. Also runterfahren. Das ist die grösste Herausforderung – besonders, wenn der Adrenalinspiegel nach angespannten Arbeitsstunden noch hoch ist.

Eigene Denkmethoden

Die Piloten werden am Cybathlon ganz anders an den Start gehen. Sie werden eine Kappe tragen mit oft über 50 Elektroden, die an der Kopfhaut die Hirnströme messen. Aus den Daten entstehen Elektroenzephalogramme. «Es gibt wenige Hersteller solcher Kappen, die meisten Teams werden also die gleichen Produkte verwenden», sagt Roland Sigrist. Innovation ist also nicht hier zu erwarten. Obwohl die zeitliche und räumliche Auflösung mit mehr und sensibleren Elektroden verbessert werden könnte. Anderseits sind die Vorbereitungen aufwendig. «Jede Elektrode muss mit einem Gel montiert werden, es braucht gut eine halbe Stunde, bis die Kappe sitzt», sagt Sigrist.

Neue Entwicklungen sind also vor allem im Computer-Algorithmus zu erwarten – dem Programm, das aus dem Fluss der Hirnströme das richtige Signal herausliest. Die Forscher waren deshalb bestrebt, erst zusammen mit dem Piloten auszutesten, welcher Gedanke das stärkste Signal ergibt – entsprechend verknüpft das Programm dann das Signal mit einem Befehl an den Computer. Das heisst: Wer den Avatar zum Hüpfen bringen will, muss nicht unbedingt an Hüpfen denken oder an Beinheben. Sebastian Reul vom Team der Technischen Universität Darmstadt sagt auf Youtube: «Will ich die rechte Hand bewegen, denke ich an die Gangschaltung beim Auto.» Das macht Sinn: Bei einem Tetraplegiker, der schon lange seine Beine und Arme nicht mehr bewegen kann, sind Gedanken an diese Tätigkeiten praktisch verloren gegangen – entsprechend ist das Signal im Gehirn schwach.

Auch Pilot Reul gibt zu: An nichts zu denken, ist die grösste Herausforderung. So ist es auch bei mir. Mit jedem Renndurchgang wird es schwieriger, mich zu entspannen. Als ob die Konzentration mein Aktivitätsgleichgewicht durcheinanderbringt. So wird das Männchen jeweils kurz vor dem Ziel langsamer. Ich denke an Ferienerlebnisse, schliesse die Augen. Zum Glück ist dies nur ein Demonstrationsprogramm, das relativ schnell reagiert.

Publikumstaugliches Spiel

Was die Piloten am Cybathlon vollbringen, soll auch einem breiten Publikum präsentiert werden. Das virtuelle Rennen ist also mehr als nur ein wissenschaftliches Experiment unter Wettkampfbedingungen. «Es ist spielerisch», sagt René Bauer von Game Design der Zürcher Hochschule der Künste. Er ist verantwortlich für das Computerspiel, das am Wettkampftag in der Swiss-Arena in Kloten über grosse Monitore wie bei einem Eishockeymatch verfolgt werden kann.

Dann werden die Avatare auf vier Bahnen antreten. Sie springen auf einem fahrenden futuristischen Zug über die Dächer der Waggons. So erhält das virtuelle Rennen einen Touch der gängigen Computerspiele. Die Avatare sind absichtlich Fantasiefiguren, real wirkende Menschen kamen nicht infrage. «Wir wollten nicht etwas Falsches suggerieren, letztlich sollen in Zukunft Roboter und keine Menschen mit Gedankensteuerung bewegt werden», sagt Bauer.Der Cybathlon wird zeigen, wie zuverlässig heute schon einzelne Gedanken zielgenau eingesetzt werden können.

Noch ist die Forschung erst am Anfang. Rollstühle oder Computer können heute noch nicht alltagstauglich bedient werden. Doch erste Erfolge gibt es auf Laborebene. Vor sechs Jahren gab ein Forscherteam des Neuroprostethic Center der ETH Lausanne eine Kostprobe, wie künftig ein Tetraplegiker per Gehirn-Computer-Schnittstelle einen Rollstuhl fahren könnte. Das gleiche Institut stellt nun auch das einzige Schweizer Team in dieser Kategorie am Cybathlon. Die Westschweizer Forscher sind zuversichtlich. Im Vortest zum Wettkampf vor ein paar Monaten gewannen sie.

Ich selbst bin zufrieden mit meiner Leistung. Zehn Minuten war ich im Einsatz. Dann liess die Konzentration nach. Gedanken steuern macht müde.

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