Transcranial magnetic stimulation-based brain-computer interface with neurofeedback facilitates motor imagery of different daily life hand actions
Diese Proof-of-Concept-Studie zeigt, dass eine neuartige, personalisierte auf transkranieller Magnetstimulation (TMS) basierende Gehirn-Computer-Schnittstelle in Kombination mit motorischer Vorstellung und Neurofeedback es gesunden Erwachsenen ermöglicht, die Gehirnaktivität erfolgreich zu modulieren und komplexe, distinkte Handbewegungen zu dekodieren, was ihr Potenzial für die Neurorehabilitation bei Personen mit schweren motorischen Beeinträchtigungen hervorhebt.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Stellen Sie sich eine Welt vor, in der der Geist den Körper trainieren kann, selbst wenn der Körper sich nicht bewegen kann. Dies ist das Versprechen von Gehirn-Computer-Schnittstellen – ein Feld, in dem Wissenschaftler lernen, das elektrische Flüstern des Gehirns zu lesen und es in Befehle zu übersetzen. Jahrzehntelang haben sich Forscher auf einfache Bewegungen konzentriert, wie etwa das Vorstellen einer sich schließenden oder öffnenden Hand. Doch das tägliche Leben verlangt nach komplexeren Fähigkeiten: einen Schlüssel zu drehen, eine Flasche zu halten oder eine Tasse zu greifen. Diese Handlungen erfordern einen feinen, koordinierten Tanz vieler Muskeln, ein Maß an Kontrolle, das Standardwerkzeuge zum Lesen des Gehirns bisher nur schwer erfassen konnten. Die Herausforderung besteht darin, dass das Denken an eine Bewegung nicht dasselbe ist wie das Ausführen einer Bewegung; das Signal des Gehirns ist oft zu schwach oder zu ungeordnet, um eine spezifische Handlung von einer anderen zu unterscheiden, ohne dass die Person tatsächlich ihre Hand bewegt.
Um dies zu lösen, wandte sich ein Team von Forschern aus Singapur und der Schweiz einer Technik namens transkranielle Magnetstimulation zu. Anstatt nur auf das Gehirn zu hören, verwendeten sie eine leistungsstarke Magnetspule, die auf die Kopfhaut platziert wurde, um den motorischen Kortex – das Bewegungszentrum des Gehirns – sanft anzutippen. Dieses Tippen sendet eine winzige elektrische Welle durch das Rückenmark zu den Handmuskeln und verursacht ein kleines, messbares Zucken, das als motorisch evoziertes Potenzial bekannt ist. Durch die Messung dieser Zuckungen konnten die Forscher genau sehen, wie das Gehen auf eine Bewegung vorbereitet war. Sie kombinierten dies mit Neurofeedback, einem System, das dem Nutzer in Echtzeit zeigt, was sein Gehirn tut, wodurch er lernt, diese Signale zu kontrollieren. Das Ziel war zu sehen, ob gesunde Menschen lernen konnten, drei verschiedene, komplexe Handbewegungen mental zu simulieren, und ob sie dies mit einer für die zukünftige Rehabilitation nützlichen Präzision tun konnten.
Die Studie umfasste zwölf gesunde Erwachsene, die eine Reihe von Trainingssitzungen über zwei Wochen durchliefen. In der ersten Sitzung führten die Teilnehmer drei spezifische Handbewegungen physisch aus: eine Flasche halten, einen Schlüssel drehen und die Hand öffnen. Die Forscher zeichneten die elektrische Reaktion des Gehirns auf diese realen Bewegungen auf, um einen einzigartigen „Fingerabdruck“ für jede Aktion zu erstellen. In den folgenden drei Sitzungen wurden die Teilnehmer gebeten, sich dieselben Aktionen vorzustellen, ohne dabei ihre Hände tatsächlich zu bewegen. Während dieser Vorstellungsexperimente tippte die Magnetspule ihr Gehen an, und die daraus resultierenden Muskelzuckungen wurden gemessen. Ein Computerprogramm analysierte diese Signale und teilte den Teilnehmern sofort mit, ob sie die korrekte Handlung erfolgreich vorgestellten. Wenn dies der Fall war, erhielten sie ein positives visuelles Signal; wenn nicht, sahen sie eine Anzeige, die zeigte, wie ihre Gehirnaktivität mit dem Zielwert vergleichbar war, was ihnen ermöglichte, ihre mentale Strategie anzupassen.
Die Ergebnisse zeigten, dass der Ansatz funktionierte. Nach nur drei Trainingseinheiten konnten die Teilnehmer ihre Gehirnaktivität so modulieren, dass sie drei unterschiedliche Muster für jede der drei Handaktionen erzeugten. Der Computer konnte zwischen dem Vorstellen des Haltens einer Flasche, des Drehens eines Schlüssels und des Öffnens einer Hand unterscheiden, und zwar mit einer Genauigkeit, die signifikant besser als bloßes Raten war. Die Teilnehmer verbesserten sich im Laufe der Zeit, was darauf hindeutete, dass das Feedback half, ihren mentalen Fokus zu verfeinern. Die Studie offenbarte jedoch auch eine Einschränkung: Diese verbesserte Kontrolle schien von der Anwesenheit des Feedbacks abzuhängen. Wenn die Teilnehmer die Aktionen ohne die visuelle Anleitung vorstellten, blieb ihre Leistung nicht so stabil, was darauf hindeutete, dass das Lernen noch nicht vollständig automatisiert oder unabhängig vom System erfolgt war.
Ein entscheidender Teil der Forschung war die Prüfung, ob die Gehirnsignale einer realen Bewegung dazu genutzt werden können, das Gehirn für dieselbe Bewegung zu trainieren. Dies ist eine wesentliche Frage für die Unterstützung von Schlaganfallpatienten, die oft nicht in der Lage sind, ihre betroffene Hand zu bewegen, um ein Referenzsignal zu liefern. Die Forscher fanden heraus, dass sie die Gehersignale der gesunden Hand nutzen konnten, um das System zu trainieren, und es gelang dem System, die vorgestellten Bewegungen der anderen Hand zu dekodieren. Darüber hinaus entdeckten sie, dass es weitaus effektiver war, ein Computermodell mit Daten der jeweils getesteten Person zu trainieren, als mit Daten von anderen Menschen. Dies deutet darauf hin, dass das System zwar bei verschiedenen Individuen funktionieren kann, aber am besten arbeitet, wenn es auf die einzigartige Gehirnsignatur des jeweiligen Nutzers zugeschnitten ist.
Die Studie kommt zu dem Schluss, dass es möglich ist, das Gehirn mithilfe dieser magnetischen Feedbackmethode darauf zu trainieren, zwischen komplexen, funktionalen Handbewegungen zu unterscheiden. Obwohl die Teilnehmer gesund waren und der Trainingszeitraum kurz war, bieten die Ergebnisse einen vielversprechenden Weg für die Neurorehabilitation. Wenn diese Technik für Menschen mit schweren motorischen Beeinträchtigungen angepasst werden kann, könnte sie es ihnen ermöglichen, ihr Gehirn mithilfe der Signale ihrer weniger betroffenen Hand neu zu trainieren und so potenziell die Fähigkeit zur Ausführung der komplexen Handbewegungen wiederherzustellen, die für das tägliche Leben erforderlich sind. Die Forschung behauptet nicht, das Problem der Lähmung gelöst zu haben, aber sie demonstriert einen klaren, machbaren Schritt in Richtung einer Zukunft, in der der Geist die Genesung der Hand leiten kann.
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