Therapie dank künstlicher Intelligenz

Wenn die gelähmte Hand wieder greift

Gelähmt nach einem Schlaganfall? Leider keine Seltenheit. Doch für Annette Dreher und andere Betroffene gibt es Hoffnung. Ein Forscherteam um Professor Surjo Soekadar will gelähmte Hände mithilfe einer hirngesteuerten Roboter-Hand wieder greifen lassen.

Schlaganfall-Patientin Annette Dreher trägt ein Exoskelett über ihrer gelähmten linken Hand.

Annette Dreher trägt ein Exoskelett: Forscher arbeiten daran, die Roboter-Hand alltagstauglich zu machen.

Foto: Sebastian Berger

Annette Dreher war 25 Jahre alt, als das Undenkbare passierte. "Ich bin im Bad umgefallen und lag sechs Stunden im Koma", erzählt sie. "Schlaganfall. Als ich aufwachte, war ich halbseitig gelähmt." Ein tiefer Einschnitt, der jetzt 27 Jahre her ist. Dreher kämpfte sich zurück ins Leben, lernte wieder richtig sprechen und gehen. Seit dem erfolgreichen Abschluss ihres Studiums arbeitet sie als Informatikerin. Sie heiratete und wurde Mutter. "Ich ließ mich nicht unterkriegen", sagt sie heute. Ihre Beweglichkeit jedoch blieb eingeschränkt. Die rechte Hand ist seit dem Schlaganfall spastisch gelähmt.

Vor mehr als acht Jahren kam Dreher in Kontakt mit der Arbeitsgruppe Angewandte Neurotechnologie der Universitätsklinik Tübingen – ein Glücksfall für sie. Das Ziel des Forscherteams: Menschen mit gelähmten Händen das Greifen im Alltag wieder zu ermöglichen.

Unbeschreiblich: Das Hirn denkt, die Hand macht

Der Weg dorthin führt über elektrische Impulse des Hirns. Denn Gedanken erzeugen elektrische Signale. Sie können gemessen werden. Eine Haube mit Elektroden auf dem Kopf macht es möglich. Sie sieht ungewöhnlich aus, wie eine Badekappe mit Stacheln. Die elektrischen Impulse werden in Steuersignale für Computer oder Maschinen übersetzt. Das geht auch bei einer Roboter-Hand. Sie umschließt wie ein äußeres Knochengerüst die gelähmte Hand. Fachleute nennen das Exoskelett. Eine besondere Herausforderung besteht dabei darin, dass sich halbseitig gelähmte Nutzer das Exoskelett ohne fremde Hilfe anlegen müssen. Sonst könnte das System im Alltag nicht wirklich helfen.

Patientin Annette Dreher mit Neurowissenschaftler Surjo Soekadar.

Patientin Dreher, Neurowissenschaftler Soekadar: Die Gedanken zielgenau auf die gelähmte Hand richten.

Foto: Sebastian Berger

Annette Dreher berichtet begeistert davon, wie ihre Gedanken im Labor zum ersten Mal in Bewegung übersetzt wurden: "Ich habe gedacht und die Hand hat das gemacht. Das kann man nicht beschreiben. Auf einmal hat man das Gefühl, dass man die Hand wieder bewegen kann. Das war unglaublich – sagenhaft." Ein Glücksmoment von großer Bedeutung: "Es hat wirklich geklappt."

Dem vorausgegangen war ein intensives Training. Für Dreher war es gar nicht so einfach zu lernen, ihre Gedanken zielgenau auf ihre rechte Hand auszurichten.

"Ich musste mich auf meine Absicht konzentrieren: Hand anspannen, Hand entspannen." 
Annette Dreher, Schlaganfall-Patientin

Denn in einem ersten Schritt mussten die Forscher herausfinden, welche Gehirnströme welche Bewegung steuern. Das war vor etwa acht Jahren. Ihnen gelang es schließlich, die elektrischen Hirnsignale, die für die Bewegung der Hand zuständig sind, genau zu identifizieren. Die Schwierigkeit: Sowohl die Frequenz der Signale als auch das Areal, wo diese Signale am stärksten sind, unterscheiden sich von Mensch zu Mensch. Bei Schlaganfall-Patienten, deren Hirn durch die Krankheit geschädigt ist, eine echte Herausforderung.

Roboter-Hand bald auch im Alltag

Im nächsten Schritt musste eine Software entwickelt werden, die mithilfe von Algorithmen Gedanken in Bewegung umsetzt. Die gemessenen Signale erkennt die Software und übersetzt sie in Impulse für die Steuerung der Hand. Die Software lernt dabei – und das ist das typische Merkmal für Künstliche Intelligenz –, die optimalen Einstellungen selbstständig herauszufinden. Ziel: das Exoskelett zuverlässig steuern. Klingt kompliziert, ist es auch, denn aus dem Chaos aller Signale muss der Computer selbst die richtigen herausfinden und verarbeiten.

"Wir sind kurz davor, eine neue Generation eines neuralen Hand-Exoskeletts fertigzustellen."
Professor Surjo Soekadar, Charité Berlin

Surjo Soekadar begleitet Annette Dreher seit vielen Jahren. Der Psychiater und Neurowissenschaftler ist vor Kurzem von Tübingen an die Charité in Berlin gewechselt. Hier hat er die deutschlandweit erste Professur für Klinische Neurotechnologie übernommen. Ermöglicht hat diese Professur die Einstein-Stiftung, die Forschung auf internationalem Spitzenniveau fördert.

Sensoren müssen erkennen: Was will ich greifen

"Derzeit lässt sich von der Kopfoberfläche nur auslesen, ob eine Person die Finger bewegen will oder nicht", erläutert Soekadar. "Welche Bewegungen das im Einzelnen sind, lässt sich daraus nicht ableiten." Daher sei es wichtig, dass das System die Umgebung des Nutzers mittels Künstlicher Intelligenz eigenständig erfasst und die beabsichtigten Bewegungen anpasst. Dafür braucht es eine Vielzahl von Sensoren an der Roboter-Hand. Diese Sensoren müssen selbst erkennen, was da in die Hand genommen werden will, eine Flasche oder ein rohes Ei? Wie weit ist der zu greifende Gegenstand entfernt? Wichtige Informationen, damit die Hand den optimalen Griff erzeugen kann. Und das Exoskelett muss dabei auch einfach über ein Tablet oder Smartphone einzustellen und zu bedienen sein. Nur so wird die Roboter-Hand alltagstauglich.

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KI kann Gedanken lesen

Ohne Forscherteam geht es nicht

Seit gut anderthalb Jahren arbeiten Forscher aus den Bereichen Medizin, Ingenieurwesen, Informatik, Biomechatronik und Physiotherapie gemeinsam an diesem Ziel der Alltagstauglichkeit. Die Wissenschaftler kommen aus Baden-Württemberg und Berlin. "Künstliche Intelligenz kann die Medizin voranbringen", davon ist Professor Soekadar überzeugt. "KI wird helfen, individuelle Hirnzustände besser zuzuordnen. Damit wird ermöglicht, Erkrankungen im Gehirn, auch psychische Erkrankungen wie Depressionen, Angsterkrankungen oder Schizophrenie, besser zu verstehen und zu therapieren."

Alle drei Minuten erleidet ein Mensch in Deutschland einen Schlaganfall. Fast 270.000 Menschen trifft es jedes Jahr. Ein Drittel aller Betroffenen behalten Lähmungserscheinungen – so wie Annette Dreher.

Nach 27 Jahren wieder in die Hände klatschen

Roboter-Hände für Schlaganfall-Patienten sind Einzelanfertigungen, passgenau hergestellt. Bis viele Patientinnen und Patienten von der Technologie profitieren, wird es noch etwas dauern. Annette Dreher wartet derzeit auf ihr neues Exoskelett. Für sie ist es nur noch eine Frage von Wochen. Mit viel Hoffnung hat sie sich auf das Tübinger Forschungsprojekt eingelassen. Das hat sich gelohnt. Dreher ist sich gewiss, dass sie nach 27 Jahren bald wieder in die Hände klatschen wird: "Ich freue mich darauf, dass ich endlich wieder was mit zwei Händen machen kann, dass die rechte Hand wieder zu mir gehört."