Dr. Matthew Willsey begann sich während seiner Tätigkeit als Elektroingenieur für Gehirn-Computer-Schnittstellen zu interessieren.
Carrie Pitzer/Michigan Medicine, University of Michigan
Matthew Willsey, Neurochirurg und ehemaliger MIT-Ingenieur, hat erstmals ein vollständig implantierbares Gehirn-Computer-Interface eingesetzt.
Das System soll Menschen helfen, die zwar denken, aber nicht sprechen oder sich bewegen können – es überträgt Gehirnsignale drahtlos an Computer oder Roboter.
Der etwa vierstündige Eingriff verlief nach Plan; Willsey beschreibt den Moment der Implantation als historisch – und als Erfüllung seines Traums.
Dieser Text basiert auf einem Gespräch mit Matthew Willsey, einem Neurochirurgen, der sich auf Gehirn-Computer-Schnittstellen spezialisiert hat. Der Text wurde aus Gründen der Länge und Verständlichkeit bearbeitet.
Bevor ich Neurochirurg wurde, war ich ein Elektroingenieur. Meinen Bachelor machte ich am MIT, dann setzte ich das Studium mit einem Master in Elektrotechnik fort. Meine Abschlussarbeit schrieb ich bei Alan Oppenheim, einem Professor, der als Pionier der digitalen Signalverarbeitung gilt.
Signalverarbeitung beschäftigt sich damit, wie man Informationen aus Signalen extrahiert. Das ist in vielerlei Hinsicht dem ähnlich, was wir mit Gehirn-Computer-Schnittstellen (kurz: BCIs) tun.
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Um 2009 sah ich ein Video, in dem jemand einen Computercursor oder einen Roboterarm mithilfe von im Gehirn implantierten Elektroden steuerte – und ich dachte: „Das ist das Coolste, was ich je in meinem Leben gesehen habe.“ Das war mein Schlüsselmoment.
Kurz darauf hospitierte ich bei einem Neurochirurgen in Texas. Die Kombination aus BCIs und dem Erleben einer echten Operation überzeugte mich: Neurochirurgie war der richtige Weg.
Ich studierte am Baylor College of Medicine, schloss dann eine Facharztausbildung in Neurochirurgie an der University of Michigan an und verbrachte drei Jahre in der Forschung, wo ich auch meinen Doktortitel mit Schwerpunkt BCIs erwarb. Heute arbeite ich in der funktionellen Neurochirurgie, mit Spezialisierung auf tiefe Hirnstimulation und Epilepsie. Außerdem leite ich ein Forschungslabor, das BCIs erforscht.
Das Gehirn funktioniert, aber die Verbindung fehlt
Es gibt Erkrankungen und Verletzungen, bei denen das Gehirn selbst weitgehend intakt ist. Betroffene wissen, wie sie sich bewegen oder was sie sagen wollen – doch der Weg vom Gehirn zum Körper oder zum Mund ist unterbrochen oder beeinträchtigt.
Jemand mit ALS etwa weiß, welche Worte er sagen möchte – aber er kann sie nicht aussprechen.
Willsey und das Team von Paradromics verbinden die Komponenten des Systems und testen deren Funktion.
Carrie Pitzer/Michigan Medicine, University of Michigan
Eine Gehirn-Computer-Schnittstelle versucht, Gehirnaktivität aufzuzeichnen, Muster zu erkennen und zu entschlüsseln, was jemand beabsichtigt. Dann kann man Text auf einem Bildschirm anzeigen oder ein Steuersignal an einen Roboterarm oder einen Computercursor senden.
Das Paradromics-System ist darauf ausgelegt, vollständig implantierbar zu sein. Viele BCIs, die bisher in Forschungslabors eingesetzt wurden, waren zwar in das Gehirn implantiert, hatten aber eine Verbindung, die durch die Haut nach außen führte, um an einen Computer angeschlossen zu werden. Wenn man diese Geräte in größerem Maßstab einsetzen will, braucht man vollständig implantierbare Systeme. Niemand möchte dauerhaft an einen Computer gebunden sein.
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Der Eingriff: Präzision und Routine
Dem Eingriff liegt eine sorgfältige Patientenauswahl zugrunde. Man sucht jemanden, der einerseits ausreichend beeinträchtigt ist, um von der Technologie zu profitieren – andererseits aber nicht so stark beeinträchtigt ist, dass ein Eingriff zu riskant wäre.
Für die Operation beginnen wir mit dem Schädelbereich. Wir machten einen Schnitt, entfernten einen Teil des Knochens, öffneten die Dura – die Hülle um das Gehirn – und legten den Kortex frei.
Mithilfe unseres Navigationssystems, unserer eigenen Augen und präoperativer Bildgebung können wir den genauen Ort bestimmen, an dem wir das Array oder Implantat platzieren wollen.
Willsey nutzt bildgestützte Navigationssysteme in Echtzeit, um die Implantationsstelle zu planen.
Carrie Pitzer/Michigan Medicine, University of Michigan
Das Array wird vorsichtig auf das Gehirn aufgelegt und dann in den Kortex eingeführt. Nachdem wir die Elektrode gesichert, die Dura geschlossen und den Knochen wieder eingesetzt haben, machen wir einen Schnitt in der Brust für den Transceiver. Ein Verlängerungskabel verläuft unter der Haut vom Gehirnteil bis zum Brustteil.
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Bevor man den Operationssaal verlässt, will man sicherstellen, dass die Elektroden im Gehirn sitzen, die Blutung gestillt ist, das Gewebe ordnungsgemäß verschlossen ist, und das gesamte System fehlerfrei kommuniziert. Der Eingriff selbst dauert etwa vier Stunden.
Die Operation unterscheidet sich aus chirurgischer Sicht technisch nicht stark von bekannten Verfahren. Neurochirurgen wissen, wie man eine Kraniotomie durchführt und auf das Gehirn zugreift. Das ist hilfreich, denn wenn man BCI-Technologie in die Breite bringen will, muss Neurochirurgen der Einstieg leichtgemacht werden.
Die Hoffnung ist, dass diese Eingriffe mit der Zeit zur Routine werden.
Ein historischer Moment im Operationssaal
Vieles an der Operation fühlte sich wie gewohntes Handwerk an.
Es gab Momente, in denen man innehielt – etwa beim Aufsetzen des Arrays auf den Kortex – und dachte: Okay. Wenn wir alles zum Laufen bringen, ist das ein großer Schritt nach vorn.
Willsey hält den Transceiver in der Hand, bevor er ihn in die Brust des Studienteilnehmers einsetzt.
University of Michigan and Paradromics
Dann muss man wieder in den Flow zurückfinden. Im Kern ist jeder Chirurg vor allem auf die Patientensicherheit fokussiert. Sobald der Patient aufwacht, führt man die postoperative Untersuchung durch.
Wenn es dem Patienten gut geht, kann man wirklich einen Schritt zurücktreten und sagen: „Wow, ich kann kaum glauben, dass wir jetzt an dem Punkt sind, an dem jemand eine neuartige Gehirn-Computer-Schnittstelle implantiert wurde.“
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Es war wirklich außergewöhnlich, Teil eines Teams zu sein, das diesen nächsten Schritt geht.
Einer der Hauptgründe, warum ich in die Medizin gegangen bin, war die Möglichkeit, neue Therapien zu den Menschen zu bringen, die sie brauchen. Diese Chance gehabt zu haben, war sehr erfüllend.
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