Die Zukunft des Tastsinns: Verbesserung künstlicher Sinne für BCI‑Nutzer

Schnelle technologische Fortschritte verwischen zunehmend die Grenze zwischen Mensch und Maschine. An vorderster Front dieses Fortschritts steht eine Gehirn‑Computer‑Schnittstelle (BCI), die eine direkte Kommunikationsverbindung zwischen der elektrischen Aktivität des Gehirns und einem externen Ausgang herstellt.

Indem sie die Kommunikation zwischen Gehirn und Computer ermöglicht, hilft BCI dabei, die Fähigkeiten von körperlich beeinträchtigten Menschen wiederherzustellen. Sie wandelt die Aktivität in unserem Gehirn in Signale um, die Körperfunktionen ersetzen oder verbessern können, wie Muskelbewegungen, die typischerweise vom Gehirn gesteuert werden. Auf diese Weise demonstriert BCI ein enormes Potenzial zur Verbesserung der Lebensqualität der Menschen. 

Seit etwa einem halben Jahrhundert in Entwicklung, hat BCI im Laufe der Jahre enorme Fortschritte gemacht, wobei Forscher nun die Fähigkeit der Technologie demonstrieren, die Fähigkeiten von Menschen mit Behinderungen wie Lähmung, motorischen Beeinträchtigungen, Sprachschwierigkeiten und Symptomen der Schizophrenie effizient wiederherzustellen.

Studien haben ebenfalls gezeigt, dass die Nutzung von BCI Menschen mit Behinderungen die verlorene Tastempfindung erleben lässt. Solche taktilen Empfindungen sind jedoch nach wie vor unvollkommen und ähneln sich bei Objekten mit unterschiedlichen Texturen oder Temperaturen. Jetzt versuchen Wissenschaftler, ein intuitives Tastgefühl zu schaffen.

Tasten ist ein integraler Bestandteil unseres Lebens, der uns nicht nur hilft, mit anderen zu verbinden, sondern auch Gegenstände aufzuheben und zu gehen. Laut Charles Greenspon, Neurowissenschaftler an der University of Chicago:

„Die meisten Menschen realisieren nicht, wie oft sie sich auf das Tasten statt auf das Sehen verlassen. Wenn man nicht fühlen kann, muss man ständig die Hand beobachten, während man etwas tut, und man riskiert dennoch, Gegenstände zu verschütten, zu zerdrücken oder fallen zu lassen.“

Um das Empfinden in prothetischen Gliedmaßen wiederherzustellen, verwenden Forscher winzige Elektrodenarrays, die in den Gehirnregionen platziert werden, die für diese spezifische Funktion verantwortlich sind. 

Dies ermöglicht den Teilnehmenden, ihre Gliedmaßen mit einem robotischen Arm zu bewegen, indem sie einfach an die Bewegung denken, während Sensoren darauf elektrische Impulse in den für das Tasten zuständigen Hirnregionen auslösen. Während Wissenschaftler das Gefühl des Tastens hervorrufen konnten, waren diese eher schwach und schwer zu lokalisieren, also wo genau der Kontakt stattfand.

Aber jetzt haben völlig neue Forschungen BCI‑Nutzer dazu gebracht, einzigartige taktile Erlebnisse für verschiedene auf einem Bildschirm gezeigte Objekte zu entwerfen und dann allein anhand der Empfindung das Objekt mit einiger Genauigkeit zu erraten.

Die Herausforderung bei der Integration sensorischen Feedbacks in Prothesen

Wissenschaftler der University of Pittsburgh School of Medicine haben einen Durchbruch erzielt, der sie dem Ziel näher bringt, eine BCI zu entwickeln, die Menschen mit Tetraplegie¹, auch bekannt als Quadriplegie, ermöglicht, ihr verlorenes Tastempfinden wiederherzustellen.

Tetraplegie ist ein Zustand, bei dem jemand die Bewegung in beiden Armen und Beinen verliert und oft auch den Rumpf, meist aufgrund einer Verletzung des zervikalen Rückenmarks, Schlaganfällen oder anderen neurologischen Schäden.

Der Schaden unterbricht die Signale, die dem Gehirn ermöglichen, sensorische Informationen wie das Tasten zu empfangen und zu verarbeiten, was zum Gefühlsverlust in den betroffenen Gliedmaßen führt.

Während Prothesen ein künstliches Glied zur Ersetzung der verlorenen Funktion bereitstellen, kann dies nur erreicht werden, wenn sie auch ein Tastempfinden bieten, ähnlich wie ein echtes Glied. Traditionelle künstliche Gliedmaßen konzentrierten sich hauptsächlich auf die Wiederherstellung der Bewegung, doch technologische Fortschritte haben es ermöglicht, ein Tastempfinden mittels Sensoren und elektrischer Stimulation zu erzeugen.

Um die verlorene Funktion der Gliedmaßen vollständig wiederherzustellen, muss das Gerät nahtlos in das bestehende sensorimotorische System einer Person integriert werden, das menschliche Wahrnehmung und Handlung verbindet.

Um dies zu erreichen, ist taktiles Feedback von entscheidender Bedeutung. Diese Form der sensorischen Interaktion mit Geräten dreht sich ausschließlich um physische Tast‑Erlebnisse.

Ein vielversprechender Ansatz, dieses Feedback zu liefern, ist die intrakortikale Mikro­stimulation (ICMS) des somatosensorischen Kortex, die lokalisierte Empfindungen im gelähmten Glied einer Person hervorrufen kann. Durch die direkte Übermittlung taktiler Informationen an das Gehirn stellt ICMS eine attraktive Option für Menschen mit hochgradiger Amputation oder Rückenmarksverletzung dar.

Allerdings ist dies nicht einfach, sondern sehr schwierig, weil unser Verständnis der neuronalen Verarbeitung von Tastempfindungen begrenzt ist. Hardware‑Beschränkungen schränken zudem die Möglichkeit ein, neuronale Reaktionen natürlich zu replizieren. Außerdem ist der Parameterraum der Stimulation komplex, und Berichte darüber, wie real das künstliche Empfinden tatsächlich war, sind anfällig für Verzerrungen und schwer zu interpretieren.

Während Position und Stärke des durch Mikro­stimulation des somatosensorischen Kortex erzeugten Tastens zuverlässig übermittelt werden können, gibt es Probleme bei der Entwicklung komplexerer natürlicher Empfindungen, da die Techniken zur effektiven Erfassung eines breiten Stimulusraums unzureichend sind und die Analyse der Wahrnehmungsqualität Schwierigkeiten bereitet.

Die meisten Studien, die die Psychophysik von ICMS untersucht haben, manipulier­ten jeweils einen Stimulationsparameter. Die Mehrheit dieser Studien wurde an nicht‑menschlichen Primaten durchgeführt, die ihre erlebten Empfindungen nicht verbal ausdrücken können.

Es besteht schlichtweg ein Bedarf an effizienteren Methoden, um die Qualität der durch ICMS hervorgerufenen Empfindungen zu erforschen.

In der neuesten Studie, einer Zusammenarbeit zwischen Pitt und der University of Chicago, haben Wissenschaftler ein Interface vorgestellt, das die Herausforderungen bei der Erstellung komplexer naturalistischer Empfindungen adressiert.

Die Studie stellte fest, dass, wenn Menschen letztlich geschlossene‑Loop‑BCIs im Alltag nutzen sollen, es wichtig ist, die funktionale Nutzung und Erfahrung von durch ICMS ausgelösten Empfindungen zu untersuchen.

Allerdings ist die Stichprobe von Teilnehmenden in solcher Forschung begrenzt. Es stehen nur etwa sieben Personen mit bidirektionalen intrakortikalen Implantaten im somatosensorischen und motorischen Kortex zur Verfügung, und die Studie umfasste drei von ihnen.

BCI‑Nutzer befähigen, ihre sensorische Erfahrung zu definieren

Das von den Wissenschaftlern entwickelte Interface wurde von drei männlichen Personen mit Tetraplegie genutzt, um ihre Empfindungen für verschiedene virtuelle Objekte zu gestalten.

Künstliche taktile Empfindungen wurden entworfen, um Interaktionen mit einer Katze, einem Apfel, einem Schlüssel, einem Handtuch und einer Scheibe Toast darzustellen. Diese Objekte wurden wegen ihrer Vielfalt an taktilen Dimensionen ausgewählt, darunter Vertrautheit, Angenehmheit, Temperatur, Mikro‑ und Makro‑Textur, Feuchtigkeit, Reibung und Nachgiebigkeit.

Die Teilnehmenden nutzten die Restfunktion ihrer linken Hand, um mit der Tablet‑Oberfläche zu interagieren, die „Tast‑“Empfindungen auf ihrer Handfläche erzeugte.

Während sie die Objekte durch ihr künstliches Tasten erkundeten, beschrieben die Teilnehmenden die kühle Rundheit eines Apfels, die glatte, starre Oberfläche eines Türschlüssels und das warme Fell einer Katze. Das unterscheidet sich völlig von früheren Experimenten, bei denen künstliches Tasten oft wie Kribbeln oder Summen wirkte und sich nicht einmal von einem Objekt zum anderen unterschied.

Was dieses Experiment im Vergleich zu früheren Forschungen besonders, war, dass die Teilnehmenden die Kontrolle über ihre eigene Stimulation hatten und ein visuell dargestelltes Objekt aktiv erkunden konnten.

Bei passiver Stimulation, bei der keine Sicht und Erkundung stattfindet, berichten Menschen meist von Haut‑Empfindungen wie Druck oder Vibration. Das liegt daran, dass die Aufmerksamkeit der Teilnehmenden auf ihren Körper gerichtet ist.

Im Gegensatz dazu konzentrieren sich Teilnehmende bei aktiver Erkundung wahrscheinlich auf die äußere Welt. Daher interpretieren sie dieselbe Wahrnehmung als objektbezogene Empfindungen wie Rauheit. Das könnte erklären, warum die Teilnehmenden der neuesten Studie spontan mehr objektbezogene Beschreibungen der Empfindungen angaben.

Diese Fähigkeit der Teilnehmenden, die Präsentation der Stimulation durch das „Berühren“ eines auf dem Tablet angezeigten Objekts zu steuern, trug dazu bei, einen realistischeren experimentellen Kontext zu schaffen. Hier waren die erlebten Empfindungen nicht das Ergebnis einer experimentatorisch gesteuerten Stimulation ohne sinnvollen Kontext, sondern zielgerichteter explorativer Bewegungen.

Wissenschaftler haben BCI‑Nutzern im Grunde die Kontrolle über die Details der elektrischen Stimulation, die taktile Empfindungen erzeugt, anstatt diese Entscheidungen selbst zu treffen, und ermöglichten ihnen, ein Tastempfinden zu rekonstruieren, das für sie intuitiv war. Laut Erstautorin Ceci Verbaarschot, ehemalige Post‑Doc‑Stipendiatin im Pitt Rehab Neural Engineering Labs und derzeit Assistenzprofessorin für Neurochirurgie und Biomedizinische Technik an der University of Texas‑Southwestern:

„Tasten ist ein wichtiger Teil der nonverbalen sozialen Kommunikation; es ist eine Empfindung, die persönlich ist und viel Bedeutung trägt.“

She added:

„Die Gestaltung eigener Empfindungen ermöglicht es BCI‑Nutzern, Interaktionen mit Objekten realistischer und bedeutungsvoller zu erleben, was uns näher an die Schaffung eines Neuroprothesen‑Systems bringt, das sich angenehm und intuitiv anfühlt.“

Sensorische Realität allein aus neuronalen Eingaben rekonstruieren

Während der Studie, auf der Suche nach dem perfekten Tastgefühl, baten Wissenschaftler die BCI‑Teilnehmenden zunächst, eine Kombination von Stimulationsparametern zu finden, die dem Berühren von Toast, Handtuch, Schlüssel, Apfel oder Katze entsprach.

Währenddessen erkundeten die Nutzer das digital dargestellte Objekt. Die Studienteilnehmenden beschrieben die Objekte in anschaulichen Begriffen, was subjektiv war. Zum Beispiel beschrieb ein Teilnehmender die Katze als seidig und glatt, während ein anderer sie als klapperig und warm bezeichnete. Dann wurden die Bilder entfernt, und allein anhand ihrer Stimulation mussten sie die Objekte erkennen.

Um das „Berühren“-Erlebnis für BCI‑Nutzer zu simulieren, stimulierte die Studie drei Elektroden nacheinander. Jede dieser Elektroden, die durch Kontakt mit unterschiedlichen Regionen des Objekts aktiviert wurden, löste eine Empfindung in einem angrenzenden Bereich der Hand aus.

Die Teilnehmenden konnten eines von fünf Objekten ohne visuelle Hinweise zu 35 % der Zeit korrekt identifizieren, was deutlich über dem Zufall liegt, aber noch erhebliche Verbesserungen erfordert. Allerdings nahm die Verwechslung zwischen zwei Empfindungen bei Objekten zu, die mehr taktile Merkmale gemeinsam hatten.

„Wir haben diese Studie konzipiert, um nach dem Mond zu greifen, und haben sie in die Umlaufbahn gebracht. Die Teilnehmenden hatten die äußerst schwierige Aufgabe, Objekte allein durch taktile Empfindungen zu unterscheiden, und sie waren dabei ziemlich erfolgreich.“

– Senior‑Studienautor Robert Gaunt, Ph.D., außerordentlicher Professor für Physikalische Medizin und Rehabilitation an Pitt

Gaunt wies darauf hin, dass selbst die Fehler „vorhersehbar“ waren, da es schwieriger ist, ein Handtuch und eine Katze zu unterscheiden, da beide weich sind, während Verwechslungen zwischen einer Katze und einem Schlüssel weniger wahrscheinlich sind.

Insgesamt fand die Studie vielversprechend, dass die Teilnehmenden in der herausfordernden Umgebung eines großen Parameterraums unterschiedliche Objektempfindungen erzeugen konnten.

Sie kam zu dem Schluss, dass Mikro­stimulation im somatosensorischen Kortex intuitive Wahrnehmungen mit verschiedenen greifbaren Eigenschaften hervorrufen kann. Komplexere Stimuli „erschließen einen größeren Wahrnehmungsraum, der es Menschen ermöglichen könnte, künstlich wahrgenommene Objekte mit höherer Präzision und Intuition zu unterscheiden“, hieß es.

Dies ist ein bedeutender Schritt hin zu einer künstlichen Gliedmaße, die sich nahtlos in die einzigartige sensorische Welt eines Individuums einfügt.

Ein wachsender Fokus auf die Verfeinerung künstlichen Tastens in BCIs

In der BCI‑Welt gibt es derzeit einen wachsenden Fokus darauf, das Tasten intuitiver zu gestalten. Allein in diesem Jahr haben mehrere Forscher Fortschritte bei robotischen Prothesenarmen und BCIs erzielt, um die motorische Kontrolle und ein Tastempfinden wiederherzustellen.

Neuro­wissenschaftler Greenspon und sein Team gingen die aktuellen Einschränkungen bei der Erzeugung natürlicher Tastempfindungen in künstlichen Gliedmaßen an, indem sie sicherstellten, dass elektrisch stimulierte Tastempfindungen präzise lokalisiert, stabil und stark genug für den täglichen Gebrauch sind.

Dazu lieferten sie kurze Impulse an einzelne Elektroden in den Tast‑Zentren. Anschließend berichteten die Teilnehmenden über die Lage und Stärke jeder empfundenen Empfindung, was half, eine umfassende Karte der Hirnregionen für spezifische Körperteile zu erstellen.

Die Tests zeigten, dass die gleichzeitige Stimulation zweier eng beieinander liegender Elektroden den Teilnehmenden ein stärkeres, klareres Tastgefühl vermittelte.

Das ergänzende Papier arbeitete daran, künstliches Tasten intuitiver und immersiver zu gestalten, indem Cluster von Elektroden mit überlappenden sensorischen Standorten platziert wurden. Dies erzeugte von den Teilnehmenden als zarten gleitenden Tast beschriebenen Empfindungen, obwohl der bereitgestellte Stimulus in kleinen, diskreten Schritten erfolgte.

Die sequenzielle Aktivierung der Elektroden verbesserte zudem die Fähigkeit der Teilnehmenden, komplexe greifbare Formen zu unterscheiden und auf Veränderungen der berührten Objekte zu reagieren, wodurch das bionische Feedback den komplexen und präzisen Fähigkeiten des natürlichen Tastens näherkommt.

„Wir haben taktile Empfindungen in Bezug auf Orientierung, Krümmung, Bewegung und 3‑D‑Formen für einen Teilnehmenden, der ein gehirngesteuertes bionisches Glied verwendet, vermittelt. Wir befinden uns jetzt auf einer anderen Ebene des künstlichen Tastens. Wir glauben, dass diese Vielfalt entscheidend ist, um das Niveau an Geschicklichkeit, Manipulation und einer hochdimensionalen taktilen Erfahrung zu erreichen, das für die menschliche Hand typisch ist.“

– Leitender Studienautor Giacomo Valle, Assistenzprofessor an der Chalmers University of Technology.

Unterdessen haben Wissenschaftler am Max‑Planck‑Institut für Intelligente Systeme tragbare Geräte erfunden, die ausdrucksstarke taktile Empfindungen wie eine beruhigende Berührung, Druck auf die Haut und Vibrationen über ein breites Frequenzspektrum liefern können und damit die Fähigkeiten aktueller Geräte übertreffen.

Um haptische Empfindungen zu erweitern, entwickelten sie elektrisch angetriebene kutane elektrohydraulische (CUTE) Wearables, die durch zeitliche Spannungsänderungen anpassbar sind, um verschiedene Arten von Berührungen zu liefern.

„Unsere CUTE‑Geräte zeigen die Machbarkeit, leichte tragbare Systeme zu schaffen, die angenehme und ausdrucksstarke taktile Kommunikation ermöglichen. Zukünftige Entwicklungen könnten diese Technologie auf größere Körperbereiche anwenden, komplexere Empfindungen erzeugen und sogar die menschliche Wahrnehmung haptischer Signale untersuchen, die bisher schwer zu erzeugen waren.“

– Erstautorin Natalia Sanchez, Doktorandin am MPI‑IS

Investition in den Bereich Gehirn‑Computer‑Schnittstellen

Die meisten Unternehmen, die an Gehirn‑Computer‑Schnittstellen arbeiten, sind noch privat, was es regulären Investoren erschwert, Zugang zu erhalten. ClearPoint Neuro (CLPT ) ist eine der wenigen öffentlichen Ausnahmen. Es stellt selbst keine BCIs her, aber seine MRI‑gesteuerten chirurgischen Werkzeuge werden bereits in Krankenhäusern zum Implantieren neuronaler Geräte eingesetzt. Das macht es zu einem Akteur im Hintergrund, der das Feld vorantreibt – und zu einer seltenen Gelegenheit, über den öffentlichen Markt in diesen Bereich zu investieren.

ClearPoint Neuro Inc.

ClearPoint Neuro, ein Unternehmen, das Gentherapien ermöglicht, spezialisiert sich auf präzise Navigation zum Gehirn und zur Wirbelsäule. Durch die Bereitstellung von Plattformen, die die präzise Platzierung von Geräten im Gehirn erleichtern, spielt seine Technologie eine wichtige Rolle bei der Entwicklung und Implementierung von BCI‑Systemen und fördert deren Anwendungen.

Mit über 50 Partnern im BioPharma‑Bereich und mehr als 75 neurochirurgischen Zentren weltweit ist ClearPoint gut positioniert, um in dieser aufstrebenden Branche zu wachsen.

Mit einer Marktkapitalisierung von 387 Millionen US‑$, werden die Unternehmensanteile derzeit zu 13,86 US‑$ gehandelt, was in diesem Jahr bisher einem Rückgang von 9,75 % entspricht. Das EPS (TTM) beträgt -0,70 und das KGV (TTM) -19,68, während den Aktionären keine Dividende angeboten wird.

Bezüglich der Unternehmensfinanzen meldete ClearPoint für das Jahr 2024 einen Umsatz von 31,4 Millionen US‑$, ein Anstieg von 31 % gegenüber dem Vorjahr, wodurch das Unternehmen sein zehntes aufeinanderfolgendes Wachstumsjahr verzeichnete. In diesem Zeitraum erzielte es zudem eine Bruttomarge von 61 % auf den Umsatz, ein Anstieg von 4 % gegenüber dem Vorjahr.

Dies war die „stärkste finanzielle und strategische Leistung“, sagte CEO Joe Burnett und fügte hinzu: „Sehr wichtig ist, dass wir das Gefühl haben, die nächste Phase von ClearPoint als Unternehmen erreicht zu haben, eine Phase, die wir ‚Fast. Forward‘ nennen.“

Nachdem das Unternehmen eine vorzeitige Rückzahlung einer wandelbaren Anleihe über 10 Millionen US‑$ vorgenommen hatte, hatte es am Jahresende keine ausstehenden Schulden. Der in diesem Zeitraum verbrauchte Cashflow betrug 9 Millionen US‑$, 35 % weniger als das, was ClearPoint 2023 ausgab. Zum 31. Dezember 2024 verfügte das Unternehmen über liquide Mittel und Zahlungsmitteläquivalente in Höhe von 20,1 Millionen US‑$.

Kürzlich hat das Unternehmen bei der FDA einen Antrag gestellt, die Nutzung seines ClearPoint Prism Neuro Laser Therapy Systems für die MRT zu erweitern. Dieser Schritt könnte potenziell den derzeit unzugänglichen US‑Markt für interstitielle Thermotherapie (LITT) für das Unternehmen öffnen.

Neueste Entwicklungen bei Clearpoint Neuro Inc.

Fazit

Durch ihre Fähigkeit, unsere Absicht zu erkennen, etwas in unserer Umgebung zu bewegen oder zu steuern, direkt aus der Gehirnaktivität, zeigen Gehirn‑Computer‑Schnittstellen (BCI) ein enormes Potenzial, die Art und Weise zu revolutionieren, wie Menschen, insbesondere Menschen mit Behinderungen, mit Technologie und der sie umgebenden Welt interagieren. BCIs ermöglichen im Grunde, dass Nutzer Geräte allein mit ihren Gedanken steuern.

Die Studie von Pitt Med, die es Nutzern ermöglicht, ihre eigenen taktilen Umgebungen zu schaffen, markiert einen wichtigen Wandel vom bloßen Wiederherstellen von Funktionen zum Wiederherstellen von Erlebnissen. Sie zeigt, dass Prothesen mehr sein können als nur Werkzeuge; sie können tatsächlich Erweiterungen des Selbst sein.

Dies ist jedoch noch der Anfang, mit erheblichem Verbesserungsbedarf. Während sich BCI‑Systeme weiterentwickeln, wird die Grenze zwischen künstlicher und biologischer Empfindung weiter verschwimmen, und damit einhergehend fortschrittliche Fähigkeiten, die unsere Wahrnehmung, Interaktion und sogar das Verständnis von Bewusstsein neu gestalten werden.

Klicken Sie hier für eine Liste der besten Gehirn‑Computer‑Schnittstellen‑Unternehmen.

Referenzierte Studien:

1. Verbaarschot, C., Karapetyan, V., Greenspon, C. M., Cramer, A., van der Kouwe, A., Wendelken, S., … & Andersen, R. A. (2025). Übermittlung taktiler Objekteigenschaften durch kundenspezifische intrakortikale Mikro­stimulation des menschlichen somatosensorischen Kortex. Nature Communications, 16, 4017. https://doi.org/10.1038/s41467-025-58616-6