Besser mit Gehirnprothese

BLOG: Graue Substanz

Migräne aus der technischen Forschungsperspektive von Gehirnstimulatoren zu mobilen Gesundheitsdiensten.
Graue Substanz

Mensch und Maschine – vereinen wir uns? Ein Fachbuch über Assimilation: die schrittweise Integration fremder Technik in unserem Körper.

Sie werden assimiliert werden, Widerstand ist zwecklos. Es geht um Assimilation im Buch Neural Control Engineering von Steven J. Schiff.

Geben wir es doch zu, wir sind längst Mischwesen, sogenannte Cyborgs, denn wir Menschen integrieren bereits nahtlos technische Geräte in unsere Lebensweise. Womit lesen Sie denn gerade diesen Beitrag und wie fanden sie hier her? Klick, klick. Damit nicht genug, bald wird der hunderttausendste Hirnschrittmacher implantiert und solch körperfremde Technik Alltag sein. Wir müssen anfangen, über die Folgen nachzudenken.

Denn selbst wenn Ihr Körper noch eine electronic virgin1 ist – also elektronisch jungfräulich –, so sind wir alle doch längst Natural-born Cyborgs, so der Titel eines Buches von Andy Clark, das bereits vor neun Jahren erschien. In dem aktuellen Fachbuch von Steven J. Schiff geht es nun darum, ins Bett zu steigen mit der Technik. Die Jungfräulichkeit zu verlieren heißt in diesem Fall data assimilation (Datenassimilation), Mensch und Maschine vereinen sich durch elektronische Neuroprothesen. Im kleinen Inset links sehen Sie, wie eine Elektrode das Gehirn penetriert und dauerhaft implantiert wird. Wozu? Schiff nennt drei heilige Grale, aber dazu erst am Ende mehr.

Das Buch ist am 7. Dezember 2011 erschienen (MIT Press) und kam gestern, am letzten Tag des Jahres bei mir an. Heute habe ich es schon fast durchgelesen. Es ist ein Fachbuch, empfehlen kann ich es daher nur dem wirklich Interessierten, gleichwohl ist es so unterhaltsam geschrieben, dass es sich spannend wie ein Roman liest.

So beschreibt Steven Schiff gleich im ersten Kapitel auf Seite drei am Beispiel einer dramatisch verlaufenden Antarktisexpedition (Endurance-Expedition 1914-1917), wie die Polarforscher nach dem Prinzip des data assimilation (Datenassimilation) navigieren, um endlich wieder festen Boden unter den Füßen zu bekommen.

Durch dieses und viele weitere Beispiele (Entscheidungen am Obersten Gerichtshof der Vereinigten Staaten dienen als Beispiel, um die Singulärwertzerlegung zu erklären – nur um noch eins zu nennen2) hat der Leser immer festen Boden unter seinen Füßen.

Angesprochen werden in den ersten zwölf Kapitel Leser vom Gehirnchirurg bis zum theoretischen Physiker. Schiff, der beides ist, weiß, wie er sein Publikum erreicht: mit einer ungemein klaren Sprache und gut verständlicher Aufarbeitung des durchaus sehr komplexen Inhaltes: Medizintechnik und den ingenieurwissenschaftlichen Ansatz dort, der von der mathematischen Theorie bis in die letzte neuroanatomische Ecke reicht, der vielleicht spannendste Bereich der modernen Gehirnforschung.

Im letzten, dreizehnten Kapitel Assimilating Minds sucht der Autor dann die Philisophen. Das Konzept der Assimilation als intelligente Integration körperfremder Technik in körpereigene “Technik”, d.h. in unsere Organsysteme, soll auch aus Sicht der Psychophysiologie analysiert werden, im Sinne der Angleichung oder besser des “Zur-Deckung-Bringens” von äußeren Eindrücken mit “präexistenten inneren Bildern”, wie es Wolfgang Pauli basierend auf der Tiefenpsychologie C. G. Jungs nannte. Dieses umfassende Thema, die philosophische und ethische Einbettung konnte nur angerissen werden. Grundsätzlich muss ich deswegen festhalten, dass dieses Fachbuch weniger als Klassiker taugt – viel zu dynamisch ist dieser Forschungszweig, um heute schon so etwas umfassendes hervorzubringen –, es ist eher ein Meilenstein. Der Autor Steven Schiff ist Vorreiter, der ihn setzt. Die Forschung wird seinem und ähnlichen Wegen folgen.

Ich hatte schon im Beitrag Migräne Ctrl-Alt-Del aus einem Artikel des Autoren zitiert:

An diesem Morgen erwachten Sie mit einer nicht unangemessenen Wettervorhersage. Es kann gut sein, dass das letzte Flugzeug, mit dem Sie flogen, durch eine automatische Steuerung ohne Eingreifen des Piloten landete. Beide dieser scheinbar ganz verschiedenen Tätigkeiten sind Beispiele für die Revolution, die es durch moderne Kontrolltechnik erlaubt,  komplexe Systeme zu beobachten (Wetter) und zu steuern (Flugzeuge). In beiden Fällen war ein Computermodell, das unsere a priori Wissen über das jeweilige System verkörpert, der Schlüssel zum Erfolg. [eigene Übersetzung]

Mit diesem Absatz als ersten Absatz im ersten Kapitel steigt Schiff nun auch in sein Buch ein (was ich damals nicht wusste). Ohne merklich trockener zu werden, wird in den folgenden Kapiteln ein Schätzproblem mittels Prädiktor-Korrektor-Verfahren formuliert (Kálmán Filter), das im Zentrum der intelligenten Neuroprothesen nach Schiff stehen soll. Verschiedene neuronale Modelle werden ausführlich erklärt und der Umgang mit deren Unzulänglichkeit angegangen. In den 13 Kapiteln lernen wir allgemein über den Sinn und ganz konkret über den Einsatz von Computermodellen kombiniert mit Prädiktor-Korrektor-Verfahren in elektronischen Neuroprothesen. Parkinson-Krankheit (Kapitel 10) und Epilepsie (Kapitel 12) sind die zentrale Beispiele für einen möglichen therapeutischen Ansatz.

Zusammen mit Steve, das muss und will an dieser Stelle im Sinne einer Full Disclosure nennen – ich bin befangen, wenn ich Buch und Thema lobe – arbeite ich an einen neuen, BMBF/NIH-geförderten Projekt, um diese Konzepte auch auf Migräne zu übertragen. Vor wenigen Tagen lief es schon über den idw Ticker:

Für Migräneanfälle sind vermutlich krankhaft langanhaltende Nervenentladungen in der Großhirnrinde verantwortlich. Dr. Markus Dahlem von der Technischen Universität Berlin möchte mit Kollegen der Pennsylvania State University, College State, herausfinden, ob sich diese durch den Einfluss Regelkreis-gesteuerter elektrischer Felder kontrollieren lassen. Dies werden sie sowohl im Computer- als auch im Tiermodell untersuchen.

Kapitel 2 und 11 im Buch behandeln diese Konzepte, mit denen wir versuchen werden, mit Hilfe von Regelkreis-gesteuerter elektromagnetischer Felder die Neurodynamik zu kontrollieren. Im Inset links sehen Sie eine potentielle Anwendung, den migraine zapper, an meinem Hinterkopf. Eine neue Generation dieser Geräte könnte Regelkreis-gesteuert sein. Dazu werde ich mehr schreiben in den kommenden Jahren und Jahre wird es dauern, hier den Schlüssel zum Erfolg zu finden, wenn es uns denn überhaupt gelingt.

Unabhängig davon braucht das Thema eine breite öffentliche Diskussion heute. Das wird spätestens klar, wenn der Autor die drei heiligen Grale der Neurotechnologie im Kapitel 9 Brain-Machine Interfaces konkret benennt: den medizinischen Gral, den militärischen Gral und den der Unterhaltungsindustrie.

Die Diskussion sollte meiner Meinung nach aber nicht allein anhand dieser Bereiche geführt werden. Neuroprothesen sollten wir nach ihrer Schnittstelle und der Sprache, die an dieser Schnittstelle gesprochen wird, erstmal einteilen:

  • Das fängt eben schon an, im Sinne der Natural-born Cyborgs, mit Computer und Maus, mit iPad und Finger-Gesten-Sprache; kurzum mit augmented reality, wie es Pattie Maes in MIT Media Lab erforscht.
  • Es geht weiter über Black-Box-Strategien mit denen das Decodierproblem (decoding problem) gelöst werden soll “ohne viel über das Gehirn zu wissen, das die Signale unter unseren Elektroden produziert (“without knowing anything much about the brain that produces the signals beneath our electrodes”, Seite 215). Hier wird “Data Fitting” und “Data Mining” betrieben. (Hinweis: siehe z.B. den Beitrag drüben in MENSCHEN-BILDER: Können Hirnforscher bald Träume entschlüsseln? und die Diskussion dort).
  • Und endet mit intelligenten Neuroprothesen, die über das Konzept der Data Assimilation sich zum Ziel setzen, fremde Technik in unserem Körper modellbasiert zu integrieren (d.h. mittels Computermodellen, die a priori Wissen über das neuronale System verkörpern).

Das Spektrum reicht somit einerseits von nichtinvasiven über minimal-invasive zu hochinvasiven Techniken und andererseits von einer weitgehend natürlichen Sprache an der Schnittstelle über blindes Data Fitting dort, bis hin zu dem modellbasierten Data Assimilation (in Steves Buch geht es nur um letzteres). Dieses Spektrum gilt es bei der ethischen Bewertung der Anwendungsgebiete zu berücksichtigen.

Mit dieser Buchbesprechung kann ich nicht mehr leisten als zur Diskussion anzuregen.

Denn Widerstand ist nie zwecklos, braucht aber eine aufgeklärte Diskussion.

 

Hinweis

Aktuell im braincast passend zum Thema der Zukunft der Computer-Hirn-Schnittstelle ein Podcast: Kurzgeschichte Das MI9000.

 

Nachtrag 4. 1. 2012

Ich hänge hier mal einen informativen Film von YouTube an über Tiefenhirnstimulation mittels einem Schrittmacher zur Behandlung eines Essentiellen Tremors (Zittern).

Man findet dort auch über die Sichtwortesuche “Deep Brain Stimulation on/off” einige Video, die Teils etwas verstörend wirken könnten, wenn man diese Krankheiten nicht kennt. Dies aus Anlass der ersten Kommentare unten.

 

Fußnoten

1 In dem genannten Buch Natural-born Cyborgs von Andy Clark (Oxford Press) lautet gleich der erste Satz

My body is an electronic virgin.

Als ein wesentliches Kennzeichen sollte Technik nahtlos und harmonisch unsere Lebensweise signifikant verändern. Ich schrieb in Beitrag Die technische Art des Neuro-Enhancement (Nov. 2009) mehr dazu.

2 Nach dem Vorsitzenden Richter (Chief Justice) des höchsten Bundesgerichts (Supreme Court) wird dieser benannt. Im genannten Beispiel war dies William H. Rehnquist von 1994 bis 2002und so hieß das Gericht auch Rehnquist U.S. Supreme Court. In diese Periode fielen u.a. das Amtsenthebungsverfahren gegen Präsident Bill Clinton und der Gerichtsfall Bush gegen Gore. In einem PNAS Artikel von Lawrence SirovichA pattern analysis of the second Rehnquist U.S. Supreme Court, auf den Schiff Bezug nimmt, wird eine Analyse der Entscheidungen durchgeführt.

 

Bildquelle

Stereotaxiegerät zur Platzierung einer Stimulationselektrode aus Wikidedia, GNU-Lizenz für freie Dokumentation.

© 2012, Markus A. Dahlem

Markus A. Dahlem

Markus Dahlem forscht seit über 20 Jahren über Migräne, hat Gastpositionen an der HU Berlin und am Massachusetts General Hospital. Außerdem ist er Geschäftsführer und Mitgründer des Berliner eHealth-Startup Newsenselab, das die Migräne- und Kopfschmerz-App M-sense entwickelt.

15 Kommentare

  1. Einfallstore für Technosymbiosen

    Anstatt von heiligen Grale[n] der Neurotechnologie zu sprechen – dem medizinischen Gral, dem militärischen Gral und dem der Unterhaltungsindustrie – wäre es doch ehrlicher von “Einfallstoren” zu sprechen. Technik, die ins Leben eingreift und es tiefgehend verändert, wird von Menschen dann akzeptiert oder gar gesucht, wenn Träume und Ziele sich nicht anders verwirklichen lassen.
    Der Wunsch nach einem Kind ist ein Einfallstor für (fast) beliebig manipulative Fruchtbarkeitsmedizin, der Wunsch nach einem normalen Leben macht ein Retinaimplantat oder einen Hirnschrittmacher zur Wunderwaffe.
    Doch damit öffnet man auch etwas für die Technik und die Techniker, das vorher “privat” war. Aus Sicht der Techniker sind also menschliche Wünsche Einfallstore durch die sie ihre trojanischen Pferde hindurchlenken können.

    Dass Menschen allgemein sehr experimentierfreudig sind zeigt sich auch in der Bereitschaft vieler, sich auf Drogenexperimente einzulassen – und Gaming (das hier unter Unterhaltungsindustrie firmiert) ist ja auch eine Art Sucht.

    Natürlich gibt es einen Riesenunterschied zwischen einem Device, das man an- und abziehen kann – wie beispielsweise einer Brille – und einer fest integrierten “Hilfe”, ohne die ich nicht mehr auskomme. Aber der Mensch gewöhnt sich an vieles – und das schnell.

  2. Einfallstor

    Danke für den sehr anregenden Kommentar!

    … wenn Träume und Ziele sich nicht anders verwirklichen lassen.

    … neige ich ja dazu zu denken, dass man Träume und Wünsche am besten aufgibt, um so wunschlos Glücklich zu sein. Doch hab’ ich gut reden, ohne große medizinische Probleme …

    Eine Nachfrage: Wäre es in Ihren Augen immer noch ein “Riesenunterschied”, wenn man das implantierte Device selbstständig ein- und ausschalten könnte?

  3. Ausschalten die Migraine, den Schmerz

    Etwas Ausschalten zu können, kann lebenswichtig sein. Der Begriff “Ausschalten” ist tief verwurzelt: Einen Kater ausschalten mit Alka-Selzer, Schmerzen ausschalten bei der Zahnbehandlung, traumatische Erinnerungen einfach loswerden und abschalten (wäre doch schön).
    Eine Neuroprothese ausschalten könnte auch wichtig werden. Heute gibt es schon Handy-Viren, morgen vielleicht Hirnschrittmacher-Viren.

  4. Abhängig?

    Ein Ausschalter würde zumindest in dieser von Technik kontrollierten Welt die Illusion von Kontrolle verleihen.

    Meine Brille kann ich absetzen, dann bin ich vielleicht nicht hilflos, aber stark eingeschränkt – tatsächlich setze ich sie nur zum Schlafen ab.Ich habe einen Ausschalter, aber eigentlich doch keine Wahl. Etwas abnehmen zu können macht, so glaube ich den Unterschied nicht aus.

    Es ist das Wünschen und es sind die Notwendigkeiten. Ich glaube es ist schon ausreichend das wir es tun können – also tun wir es oder werden es tun. Ich denke diese neue Welt wird kommen.

  5. @Alex: Ausschalten und Austauschen

    Ich habe einen Ausschalter, aber eigentlich doch keine Wahl. Etwas abnehmen zu können macht, so glaube ich den Unterschied nicht aus.

    Abnehmen bedeutet auch ersetzen können: – Die alte Brille gegen eine neue bessere oder besser angepasste.
    – Die obsolet gewordene Hirnfunktionsbeeinflussungstechnik durch eine neue viel bessere

  6. Ich möchte vorab sagen das mir Ihre Beiträge gefallen haben. Ich habe meinen Beitrag geschrieben um mir über meine Meinung klar zu werden.

    Stimmt, das habe ich nicht bedacht. Austausch, Reparatur vielleicht auch Batteriewechsel?

    Mir macht diese Entwicklung Sorge, doch seltsamerweise finde ich eher Argumente dafür aber nicht dagegen. Meine Gedanken gingen eher in die Richtung wie abhängig würde ich mich von solcher Technik machen wollen und würde es dabei einen Unterschied zwischen fest eingebaut und abnehmbar geben. Mir schien abnehmbar harmloser zu sein und dann fand ich ein Argument dagegen.

    Ich weiß zu wenig um mir eine fundierte Meinung bilden zu können. Was bleibt ist ein komisches Gefühl.

  7. Video Hirnschrittmacher

    Ich hänge unter dem Beitragstext einen informativen Film von YouTube an über Tiefenhirnstimulation mittels einem Schrittmacher zur Behandlung eines Essentiellen Tremors (Zittern).

    Dort wird über Batteriewechsel, gebrochene Kabel etc. berichtet.

  8. Abnehmbar…unbedingt

    Abnehmbar…unbedingt… denn vollintegriert ist eben schwer zu “updaten”.

    Und warum reden hier alle über die Zukunft – wenn es doch schon im Einzelnen längst soweit ist? Damit meine ich nicht die Fernbedienbarkeit von Fernsehern oder die ganzen anderen Elektronik Geräte um uns herum. man stelle sich mal vor, es ginge etwa mit Nanopartikel eine selektive Manipulation des Gehirns. Man stelle sich vor, es würde vielleicht Emotionen verstärken und mit den verstärkten Emotionen seine Umgebung beeinflussen können, indem eine “Überlagerung” stattfände, die die Menschen der Umgebung in eine Art leichte Angststarre versetzen…

    Wenn Gedankeninhalte eine Art Korellat haben (auf organischer/physikalischer Ebene), dann wäre auch denkbar, das eben diese Gedankeninhalte ebenso sich Überlagern/übertragen könnten – so die Gehirnfunktionen synchronisierbar sind. Es hinge nur von einer Art Informations-/Signalübertragungsmethode ab, die sich mit der Energie des Gehirns versorgen könnte, damit das ganze unsichtbar bleibt.

    Ich wäre eben nicht so sicher, dass alless nur Zukunftsmusik sei…

  9. Zukunftsmusik wird heute komponiert

    Das Technik und das pharmarkologische Neuro-Enhancement miteinander verschmelzen, denke ich auch.

    Im Beitag Die technische Art des Neuro-Enhancement habe ich das zwar noch parallel gestellt, aber es gibt längst aktive Implantate die Substanzen frei setzen können und Steuerung von Substanzen im Körper zum Zielort mit Magnetfeldtechnik von außen.

    Bei Migräne ist das alles noch Zukunftsmusik. Aber heute wird daran, z.B. an Implantaten, schon zumindest geforscht (und d.h. öffentliche Forschungsgelder in diesem Bereich eingesetzt — und so sollte es auch öffentlich transparent dargestellt werden): z.B. in Freiburg Real time metabolite sensing for feedback control of behaviour in neurological disorders.

    We will study the use of biosensor feedback from brain energy metabolism to influence brain function and behaviour. Here migraine serves here as a well defined model disease, which can be treated by drugs improving aerobic metabolism. The long term goal of the project is the development of implantable encapsulated microsensors in migraine patients, which will enable them to monitor and control local cortical metabolic activity within a physiological range to avoid breakdown of energy homeostasis with dysfunction and possibly brain tissue damage.” [Projektkurzbeschreibung, Hervorhebung durch M.A.D.]

    Abnehmbare Technik, in Funktionsweise (oder gar Form) ähnlich einer Brille ist eher was, an das ich denke bei Migränetherapie mit intelligenter Medizintechnik in Form von Regelkreis-gesteuerter elektrischer Felder, aber wer weiß.

  10. “Neuro-Enhancement” – was soll

    man zu einer solchen Idee sagen? Klingt zunächst nach Drogenmißbrauch.

    … Bei Migräne ist das alles noch Zukunftsmusik.

    Sollte das nicht auch besser so bleiben? Zumindest solange, bis man wirklich etwas über das Gehirn weiß, um wenigstens andeutungsweise verantworten zu können, warum unbedingt die Kreatur für die Wissenschaft und das Wohl (sic) herhalten muß? Ich glaube, wer seinen eigenen Modellen traut, der hat sicher keine Scheu, die Möglichkeiten eines Enhancement-Implantats an sich selbst auszuprobieren – im Gegenteil.

  11. selbst ausprobieren

    Ich glaube, wer seinen eigenen Modellen traut, der hat sicher keine Scheu, die Möglichkeiten eines Enhancement-Implantats an sich selbst auszuprobieren – im Gegenteil.

    Ich bin sogar sicher, dass dies Forscher an sich ausprobieren werden. Das haben sie immer schon gemacht, sei es bei LSD, oder bei den LSD-Brillen:

    [Bauanleitung]

    (gut, dann doch eher ungefährlich,die hatte ich auch schon auf)

    Oder die Geschichte, wie George Somjen sich von einen Anästhesisten MgCl2 in die Vene spritzen lässt, um zu testen, ob es allein Muskelentspannung macht oder auch unbewusst (und schmerzunempfindlich, dass ging eben nicht am Tier zu testen).

    Und und und, daran wäre kein Mangel.

    Das löst natürlich nicht die Frage nach Tierexperimenten. Letztlich wird aber gerade die Theorie diese reduzieren helfen.

  12. Feedback- und Kontrollsysteme

    @ Markus A. Dahlem Zukunftsmusik wird heute komponiert 05.01.2012, 07:51

    -> Biofeedbacksysteme mögen ja eine interessante Sache sien. Was sie aber nicht machen ist, dass sie dem Menschen Leistung abnehmen und Bandbreite freigeben. Stattdessen bekommt der dadurch noch zusätzliche Informationen – und auch noch über sich selbst. Das bedeutet, dass er dadurch kaum Entlastung erfährt, wie es eigendlich nötig wäre, um eine Verbesserung des Geistes zu erreichen.

    Ausserdem geht die Tendenz im Alltag der (post)industriellen Gesellschaft dahin (oder ging zumindest diese Tendenz), dass sich durch die gesamte strukturierung und organisation der Umgebungen alle zeit für direkt produktiven output eingeplant wird und dabei kaum mehr darauf geachtet wurde, wie sich der Mensch an sich dabei noch empfand. Am industriellen Beispiel sähe das Szenario so aus, dass alle Aufmerksamkeit auf die Geldwerte Produktion gerichtet wurde. Wo bliebe da die Aufmerksamkeit auf den eigenen Körper und das Bewusstsein? In diesem Sinne wäre es eben nur logisch, wenn sich die Forschung nicht mit Feddbacksystemen beschäftigen wollte, sondern mit automatisch regulierenden Systemen, deren Funktion nicht auf Ausgabe von Messwerten ausgerichtet ist.

    Die ganzen Aussagen von “feedback” und Kontrollsysteme geben uns möglicherweise einen völlig falschen Eindruck über die eigendlichen Zielsetzungen des Neuro-Emhancemends. Feedback und Kontrolle suggerieren uns möglicherweise Einflüsse (Sicherheit und vertrauen), die dann gar nicht mehr möglich sind/sein werden.

  13. Sprachzentren

    Danke für den Lesetipp!
    Kann man die Sprachzentren als Implantate auffassen, die erst vor kurzer Zeit ins menschliche Gehirn implantiert wurden?

  14. Magnetfelder im Gehirn

    Markus A. Dahlem Zukunftsmusik wird heute komponiert 05.01.2012, 07:51

    “…die Substanzen frei setzen können und Steuerung von Substanzen im Körper zum Zielort mit Magnetfeldtechnik von außen.”

    -> Wenn es da mal nicht schon eine Strategie gibt, die es nicht mehr nötig macht, von Außen ein Magnetfeld anzulegen. Ich habe da so sonderbare Erfahrungen gemacht. Im Gehirn findet die Aktivität auch über kleine Ströme statt. Diese werden selbst kleine Magnetfelder erzeugen. Dies könnte dazu genutzt werden, wenn man Metalle in den körper einbringt, welches sich dann an die hochaktiven Bereiche im Gehirn anheften wird.

    Wie das aber ausgeht, ist mir unbekannt.

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