Hirn-Computer-Schnittstelle: Mit Künstlicher Intelligenz zu mehr Unabhängigkeit - Mit der Kraft der Gedanken

Forschende der Technischen Universität München arbeiten an einer Gehirn-Computer-Schnittstelle, die digitale Systeme direkt über Gedanken steuerbar macht. Die Technologie eröffnet neue Perspektiven für die Rehabilitation sowie für assistive Anwendungen. Ziel ist es, die Interaktion zwischen Mensch und Maschine grundlegend zu verändern.

Michael Mehringer ist vom Hals abwärts gelähmt. Gemeinsam mit einem Team aus Neurowissenschaft, Neurochirurgie, Robotik und KI arbeitet er daran, durch eine Hirn-Computer-Schnittstelle – kurz: BCI (für Brain-Computer-Interface) – mehr Autonomie zu erlangen.

Bild: Zwei Mal pro Woche kommt Michael Mehringer (Mitte) ins TUM Klinikum zum Training – hier mit Prof. Simon Jacob (l.) und Prof. Bernhard Meyer. Seine Hoffnung: Irgendwann einen Computer mit Gedankenkraft zu steuern. Foto: Astrid Eckert / TUM

Der Arm auf dem Bildschirm sieht aus wie in einem Videospiel. Hand, Gelenke und Armknochen sind aus orangefarbenen Polygonen zusammengesetzt. Wenn die Animation beginnt, streckt sich der Arm. Nach wenigen Sekunden kehrt alles in die Ausgangsposition zurück. Michael Mehringer blickt konzentriert auf den Bildschirm. „Sehr gut! Noch einmal“, sagt Melissa Zavaglia. Wieder startet die Animation. Michael Mehringer bleibt konzentriert.

Der 26-Jährige ist seit einem schweren Motorradunfall vor etwa zehn Jahren vom Hals abwärts gelähmt. Die Bewegungen des animierten Arms kann er nur in Gedanken nachahmen. „Trotzdem merke ich nach den Sessions immer, was ich geleistet habe“, erzählt Michael Mehringer. „Mein Körper hat solche Bewegungen seit Jahren nicht mehr gemacht.“ Die Übungen mit dem animierten Arm sind Teil eines Forschungsprojekts, das neue Einblicke in die Funktionsweise des Gehirns liefern soll. Darüber hinaus wollen die Forschenden Mehringer in die Lage versetzen, Computer und sogar einen Greifarm mit Gedankenkraft zu steuern.

Bild: Eine Schnittstelle übersetzt die Hirnaktivität von Michael Mehringer in digitale Informationen, die als Farben und Kurven dargestellt werden. Foto: Astrid Eckert / TUM

Auf Mehringers Hinterkopf sitzt ein schwarzes Kästchen von der Größe einer Streichholzschachtel. Zwei Kabel führen daraus zu einem zweiten Rechner. Dessen Bildschirm zeigt ein Raster aus 256 Rechtecken. Die Grundfarbe des Rasters ist blau, mal heller, mal dunkler, immer in Bewegung wie die verpixelte Aufnahme einer Wasseroberfläche. An verschiedenen Stellen wird das Blau von anderen Farben durchbrochen: Grün, Gelb, Rot bis hin zu einem dunklen Weinrot. Auch diese Farben verändern sich ständig.Jedes einzelne Rechteck steht für eine der 256 Elektroden, die Michael Mehringers Hirnaktivität messen. Ist eines dunkelrot gefärbt, ist die Aktivität in den Zellen um den Sensor besonders hoch. Wann welche Hirnzellen aktiv werden, unterscheidet sich je nach Aufgabe.

Stellt sich Mehringer die Armbewegung vor, leuchtet es eher oben links im Raster grün, gelb und rot. Bei anderen Aufgaben eher unten rechts. Ein solch detaillierter Einblick ins Gehirn ist nur möglich, weil Michael Mehringer sich zu einem tiefgreifenden Eingriff bereiterklärt hat: Im Sommer 2025 wurden in einer mehr als fünfstündigen Operation vier Elektroden-Arrays direkt in sein Gehirn eingesetzt. Jedes ist etwa fünf mal fünf Millimeter groß und trägt 64 nadelförmige Mikroelektroden.

„Die größte Herausforderung bestand darin, die Elektroden sehr genau zu implantieren. Nur so erhält man hinterher exakte Ableitungen und kann Hirnsignale präzise messen“, erläutert Prof. Bernhard Meyer, Direktor der Klinik und Poliklinik für Neurochirurgie am TUM Klinikum. Prof. Meyer und sein Team haben den Eingriff jahrelang geplant und vorbereitet. Sie wollten sicher sein, den optimalen Punkt in dem Bereich des Gehirns zu treffen, der für die Planung und Durchführung komplexer Bewegungen zuständig ist.

„Mit dieser Operation wurde erstmals in Europa eine mikroelektrodenbasierte Hirn-Computer-Schnittstelle bei einer Querschnittslähmung eingesetzt“, sagt Simon Jacob, Professor für Translationale Neurotechnologie. Die TUM ist damit die erste akademische Einrichtung in Europa, die bereits zwei solcher Schnittstellen implantiert hat. Schon im Jahr 2022 hatte das Team einer Schlaganfallpatientin mit Sprachstörung eine solche Schnittstelle eingesetzt. Damit wurde zunächst die Sprachverarbeitung in der gesunden rechten Hirnhälfte kartiert.

Künstliche Intelligenz

Künstliche Intelligenz prägt unsere Arbeits-, Forschungs- und Alltagswelt. Entdecken Sie, wie wir diesen Fortschritt durch innovative KI-Methoden und Anwendungen mitgestalten – von Robotik bis Maschinellem Lernen.

Bild: Andreas Heddergott / TUM.  KI und Robotik an der TUM

Solche Meilensteine sind nur durch engagiertes Teamwork und die Zusammenarbeit über die wissenschaftlichen Disziplinen hinweg möglich. „Artificial Intelligence for Neuro Deficits” heißt das durch das Bundesforschungsministerium geförderte Forschungsprojekt, in dem die Erfahrung aus der Hirnchirurgie mit dem Wissen von Neurowissenschaftlerinnen und Neurowissenschaftlern sowie der Expertise aus der Robotik kombiniert wird.

Hirnsignale in Bewegung übersetzen

Zweimal wöchentlich wird Michael Mehringer von einem Fahrdienst ins Neuro-Kopf-Zentrum des TUM Klinikums gebracht. Heute sind Dr. Melissa Zavaglia, die das Projekt am Munich Institute of Robotics and Machine Intelligence leitet, und zwei Promovierende da. Im Verlauf des Trainings wird der Neurologe und Neurowissenschaftler Simon Jacob kurz vorbeischauen. Für die medizinische Versorgung und Kontrolle der Schnittstelle ist das Team aus der Neurochirurgie immer ansprechbar.

Bild: Dr. Melissa Zavaglia leitet das Forschungsprojekt „Artificial Intelligence for Neuro Deficits“. Foto: Astrid Eckert / TUM

Kurzer Gesundheitscheck, entspanntes Plaudern während der Anschluss für den Rechner vorbereitet und desinfiziert wird. Michael Mehringer nimmt einen Schluck Kaffee durch einen Strohhalm und dann geht es los. Viele Worte werden während der Trainingssession nicht gewechselt. Alle kennen ihre Aufgaben. Nur hin und wieder wird Mehringer gefragt, ob alles für ihn passt. Es passt.

Mit Übungen wie der mit dem animierten Arm trainiert das Forschungsteam der TUM KI-Algorithmen. Diese sollen den Zusammenhang zwischen den neuronalen Signalen und der Bewegung, die Michael Mehringer ausführen will, erkennen. Zunächst sollen die decodierten Hirnsignale genutzt werden, um einen Cursor auf einem Bildschirm zu kontrollieren.

Dann, so hoffen die Forschenden, kann Michael Mehringer nach und nach lernen, einen robotischen Arm zu bewegen und damit Gegenstände zu greifen. „Anstatt von Menschen zu erwarten, dass sie sich anpassen und den Umgang mit Robotersystemen erlernen, liegt unser Schwerpunkt darauf, Systeme zu entwickeln, die menschliche Absichten erkennen“, sagt Melissa Zavaglia.

Die wichtigste Person im Team ist Michael Mehringer. Wenn sich bei ihm etwas verzögert, werden selbstverständlich alle anderen Termine verschoben. Die Trainingssessions werden so gestaltet, dass sie für ihn gut zu bewältigen sind. „Bevor wir hier angefangen haben, habe ich mir vor allem Menschen in weißen Kitteln vorgestellt – nicht, dass es so entspannt ist“, sagt er.

Neuroethik

Neben neuen Möglichkeiten sorgen Hirn-Computer-Schnittstellen auch für neue ethische Herausforderungen. Marcello Ienca, Professor für die Ethik von KI und Neurowissenschaften an der TUM, beschäftigt sich intensiv mit diesen Fragen und steht in engem Austausch mit dem Team. Prof. Ienca hat unter anderem in Expertengremien von OECD und UNESCO zu diesem Thema mitgearbeitet und ist designierter Vorsitzender der Internationalen Gesellschaft für Neuroethik.

Ob ein gedankengesteuerter Roboterarm am Ende alltagstauglich sein wird, kann noch niemand sagen. „Für die Teilnehmenden an unseren Studien ist es wichtig zu verstehen, dass es im Kern um Forschung geht, nicht um Heilung. Forschung ist nicht so planbar wie eine Kopfschmerztablette zu schlucken, die seit unzähligen Jahren erprobt ist,“ sagt Simon Jacob. Michael Mehringer ist sich dessen bewusst. Gleichzeitig ist er überzeugt, die richtige Entscheidung getroffen zu haben: „Ich bin stolz, dass ich mithelfen kann, die Forschung voranzubringen. Ich wünschte mir natürlich wieder vollständige Selbständigkeit, aber ich bin Realist. Wenn ich mit dem Roboterarm trinken oder auch essen könnte, wann ich möchte, wäre das für mich schon ein sehr großer Fortschritt und viel zurückgewonnene Freiheit.“

Ein Beitrag aus der dritten Ausgabe des TUM Magazins.

Quelle: Technische Universität München

Bildmaterial: Astrid Eckert / TUM, Andreas Heddergott / TUM