Aktive taktile evaluation von Oberflächenrauheit mit einem closed-loop Brain-Computer Interface und Interkranieller Mikrostimulation im Menschen

• Antragsteller: Robin Lienkämper, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Kognitive und systemische Humanneurowissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 537208836

Invasive Brain-Computer Interfaces (BCIs) sollen die Lebensqualität schwer gelähmter Menschen verbessern, indem sie Bewegungintentionen aus neuronalen Signalen dekodieren und in Steuersignale übersetzen, die von Robotern und anderen Geräten verwendet werden können. Diese invasiven BCIs können durch intrakortikale Mikrostimulation (ICMS) ergänzt werden, die in den somatosensorischen Kortex implantiert werden, um ein künstliches sensorisches Feedback zu ermöglichen. Die bisheriege Forschung hat gezeigt, dass die durch ICMS erzeugten Empfindungen zuverlässig auf der Hautoberfläche lokalisiert werden können und dass die wahrgenommene Intensität durch die Stimulationsparameter moduliert werden kann. Frühere Arbeiten konzentrierten sich jedoch meist auf die Stimulation einer einzigen Elektrode. Im Gegensatz dazu registriert das natürliche somatosensorische System viele verschiedene Empfindungen mit komplexer räumlicher und zeitlicher Dynamik. Dies ermöglicht es uns, verschiedene Oberflächentexturen zu erkennen und zu unterscheiden. Diese taktile Exploration von Oberflächen ist eine der wichtigsten Funktionen des somatosensorischen Systems und spielt im täglichen Leben eine entscheidende Rolle. Der Einsatz eines BCIs zur Wiederherstellung dieser Fähigkeit bei Patienten mit eingeschränkten oder vollständig fehlendem Tastsinn wäre für die Nutzung neuroprothetischer Geräte von großem Nutzen. Es hat sich gezeigt, dass die Rauheit einer Oberfläche ein wichtiger Faktor für die Differenzierung verschiedener Oberflächen ist. Wenn man eine raue Oberfläche berührt, spiegelt die wahrgenommene Reizintensität auf der Haut das Höhenprofil der Oberfläche wider. Wenn sich die Hand über die Oberfläche bewegt, bewegt sich das Reizintensitätsprofil über den repräsentativen Bereich im somatosensorischen Cortex. Die Kodierung eines solchen Stimulusintensitätsprofils für ICMS-basiertes künstliches somatosensorisches Feedback kann daher durch Modulation der Stimulusintensität an mehreren Elektroden erreicht werden, die Empfindungen an verschiedenen Stellen auf der Haut erzeugen. Dieses Stimulationsmuster kann dann dynamisch weiter moduliert werden, um die Bewegung der Hand über die Oberfläche zu reflektieren. In diesem Antrag werde ich eine Reihe von Experimenten zur weiteren Erforschung und Quantifizierung der funktionellen Grenzen der räumlich-zeitlichen Auflösung von ICMS-evozierten Empfindungen bei drei Teilnehmern vorstellen, denen für BCI-Studien Mikroelektroden-Arrays sowohl in sensorischen (S1) als auch in motorischen Hirnarealen (M1) implantiert wurden. Anschließend werde ich ein experiment vorschlagen, bei dem die Teilnehmer ein closed-loop BCI verwenden können, um eine virtuelle Oberfläche mit einer simulierten Rauheit aktiv zu erkunden.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Robert Gaunt, Ph.D.