Kybernetik - Prothesen und Implantate, Funktion und Bedeutung für die Menschheit

Inhalt

1. Vorbemerkung zur Zugänglichkeit und Abgrenzung des Themas

2. Was ist Kybernetik?
Was ist Bionik?
Implantate und Prothesen

3. Über den aktuellen Forschungsstand der Prothetik
3.1 Der bionische Kunstarm
3.2 Das Retina - Implantat

4. Der Mensch bald ein Cyborg?
4.1 Vor- und Nachteile
4.2 Ethische Konflikte

5. Fazit

6. Quellennachweis

1. Vorbemerkung zur Zugänglichkeit und Abgrenzung des Themas

Ich bin auf dieses Themengebiet gestoßen, als ich mir Gedanken darüber gemacht habe, welches Thema meinen Interessen besonders gerecht werden könnte. Da Kybernetik mehrere Wissenschaften in sich vereint, unter anderem auch Technik und Medizin, die mich besonders interessieren, habe ich mich dafür entschieden.

Mit dieser Facharbeit versuche ich mir einen Überblick über dieses relativ komplizierte Thema zu verschaffen.

Aufgrund des enormen Umfanges dieses Themengebietes, habe ich meine Recherche jedoch auf bionische Implantate und Prothesen beschränkt, mit dem Schwerpunkt Funktion und Bedeutung für die Menschheit.

2. Was ist Kybernetik?

Kybernetik stammt aus dem Griechischen und bedeutet „Steuermann“, sie wurde 1948 von Norbert Wiener begründet.

Kybernetik ist eine interdisziplinäre Wissenschaft: Mathematik, Technik, Biologie und Soziologie wenden diese Wissenschaft in verschiedenen Bereichen an.

Sie ist die Lehre von den Steuer- und Regelmechanismen und beschäftigt sich mit Kommunikations- und Regelsystemen in lebenden Organismen, gesellschaftlichen Organisationen und technischen Systemen.

Die beiden wichtigsten Prinzipien sind die Informationsaufnahme, -verarbeitung und -weitergabe sowie ihre Organisation. Ihre Aufgabe ist es, komplexe Systeme zu analysieren, Methoden zu entwickeln und anzuwenden, um Reaktionen vorhersagen zu können und um sie gezielt zu beeinflussen.

2.1 Was ist Bionik?

Das Wort Bionik ist ein Kunstwort und setzt sich aus der Kombination der Begriffe Bio logie und Tech nik zusammen.

Bionik ist ein Wissenschaftszweig der Kybernetik, sie nimmt die Natur als Vorbild und versucht sie nachzuahmen, indem sie sie technisch umzusetzen versucht.

Damit das geschehen kann, müssen die kybernetischen Prinzipien^[1] der Natur zuerst erkannt werden.

Relevant für diese Facharbeit ist aber die Bionik zur Nachahmung von menschlichen Gliedmaßen und Organen, mit dem Ziel Behinderten Menschen zu helfen, wieder ein normales Leben zu führen.

Eine Weiterentwicklung ist die Neurobionik, die sich, auf den menschlichen Körper bezogen, zwar auch mit der Nachahmung von Gliedmaßen und Organen beschäftigt, jedoch wird dabei versucht eine neurale Verbindung mit Prothese bzw. Implantat herzustellen, um diese in einem größeren Einklang mit dem Körper zu bringen.

2.2 Prothesen und Implantate

Prothesen sind künstliche Ersatzteile für fehlende Gliedmaßen, Organe oder Organteile.

Befindet sich die Prothese außerhalb des Körpers, spricht man von einer Exoprothese, andernfalls von einem Implantat. Ein Beispiel für die Exoprothese wäre der bionische Kunstarm, worauf ich später eingehen werde.

Wie bereits erwähnt, sind Implantate in den Körper eingesetzte Prothesen, die dann kurzfristig oder dauerhaft dort zur Unterstützung von Körperfunktionen bzw. als Ersatz für diese verbleiben.

Bekannte Vertreter sind zum Beispiel der Herzschrittmacher, der Hirnschrittmacher^[2], das Cochlea-Implantat^[3], aber auch der Gelenkersatz.

Die Wissenschaft, die sich mit der Entwicklung von Prothesen und Implantaten beschäftigt nennt man Prothetik, sie ist ein Wissenschaftszweig der (Neuro-) Bionik.

3. Über den aktuellen Forschungsstand in der Prothetik

Den aktuellen Forschungsstand betreffend, existiert eine große Zahl an Forschungsprojekten, die zum Teil noch nicht veröffentlicht wurden bzw. mir nicht zugänglich waren. Im Folgenden berichte ich über die Funktion moderner Armprothesen und Retina-Implantate, die noch in der Entwicklungsphase sind, um anschließend anhand dieser Beispiele ihre Bedeutung für die Menschheit zu verdeutlichen.

3. 1 Der Bionische Kunstarm

Eine Errungenschaft der Neurobionik ist unter anderem der bionische Kunstarm. Er bringt den Entwicklern den Traum vom kybernetischen Organismus einen Schritt näher: das Besondere an dieser Prothese ist ihre Fähigkeit, Nervensignale, die vom Gehirn über den motorischen Neuron zur motorischen Endplatte der intakt gebliebenen Muskulatur der Amputationsstelle geleitet werden, zu registrieren.

Dieser Vorgang geschieht über „Mikrosensoren“ (Kybernetik, 8. Juli 2002, S.25 Z.19), die die Muskelsignale erkennen und ihre Informationen an Mikrochips zur Auswertung weiterleiten: „Deren Aufgabe ist es relevante Informationen herauszufiltern und die komplizierte Mechanik des Arms in Gang zu setzen. Zugleich geben Potentiometer - empfindliche Spannungsmesser - genaue Rückmeldung über die ausgeführte Bewegung.“ (Kybernetik, 8. Juli 2002, S.25 Z.21 ff.).

Demnach wurde ein mechanischer Regelungsvorgang erschaffen, der in einen biologischen Regelungsvorgang eingreift: das Nervensystem, ein biologisches Regelungssystem, das in diesem Fall über das Gehirn Armbewegungen koordiniert, steuert nun einen synthetisierten Arm^[4], der selbst über ein Regelungssystem, nämlich das im Mikrochip programmierte, verfügt.

Verglichen mit einem echten, natürlichen Arm, hat der bionische Arm nur einen Bruchteil der Funktionen, immerhin besitzt er einen Positionsmesser, der Informationen über die Position des Armes an das Gehirn liefert. Diese Funktion wir noch weiterentwickelt, denn sie ist noch nicht ausgereift, es fehlt noch das Fingerspitzengefühl: ein Temperaturfühler, der zum Beispiel bei extremen Temperaturveränderungen den Benutzer warnt bzw. im Gehirn Alarm schlägt, und ein Drucksensor, der hilft die Kraft zum Greifen eines Objektes geeignet zu dosieren, denn der Träger dieser Prothese hätte die Möglichkeit die Stabilität bzw. die Oberfläche des Objektes zu überprüfen

Der bionische Arm, auch Neuroprothese^[5] genannt, kann vielen Menschen nach einer Amputation helfen wieder ein geregeltes Leben zu führen, ohne dass sie auf einen Pfleger oder aufwendige, teure Hilfsmittel angewiesen sind.

Aber auch diese Erfindung stösst sehr schnell an ihre Grenzen, wenn es um den Einsatz der Neuroprothese an gelähmten Menschen oder jenen, die keine intakte Armmuskulatur am Armstumpf aufweisen, geht.

Diese Menschen hätten dann keine Möglichkeit, sich die Prothese zu Nutzen zu machen, da sie nur auf intakte Armmuskeln abgestimmt wurde.

Ein anderes Problem stellt auch die Individualität der Signalmuster an der Armmuskulatur dar, denn diese variieren von Mensch zu Mensch, so muss sich der Träger mit viel Zeit und Geduld seiner Prothese anpassen.

Momentan versuchen japanische Forscher der Tsukaba Universität gegen diese Problematik eine Lösung zu finden: es wird eine intelligente bzw. lernfähige Prothese entwickelt, die sich im Laufe der Zeit seinem individuellen Träger anpassen kann.

Auch für gelähmte Menschen bzw. Menschen mit beschädigter Muskulatur wird ein Lösungsansatz entwickelt: „Forscher der Hahnemann Medizinhochschule in Philadelphia (...) arbeiten an einer Methode, die es bald möglich machen soll, einen Roboterarm direkt durch Gehirnzellenaktivität zu steuern.“(Kybernetik, 8. Juli 2002, S.26 Z.9 ff.), das heißt das Problem wird überbrückt, indem versucht wird eine direkte Verbindung zwischen dem Steuerungszentrum, dem Gehirn, und der Neuroprothese herzustellen.

Ein wichtiges Hindernis, das vorher überwunden werden musste, war, eine Verbindung zwischen Neuronen und Mikrochips herzustellen, „zwar existieren sowohl Computerchips als auch Gehirn auf der Basis von elektrischen Signalen[, jedoch tragen im Silizium] Elektronen den Strom, im Gehirn dagegen Ionen.“ (Kybernetik, 8. Juli 2002, S.26 Z.29 ff.)

Ionen können nicht die Elektronen im Halbleiter^[6], in diesem Fall das Silizium im Mikrochip, ersetzen, genauso wenig wie Elektronen die Ionen in einer Nervenzelle ersetzen können, dennoch haben sie aus kybernetischer Sichtweise die gleiche Aufgabe, nämlich die der Informationsübertragung.

Aus dieser Betrachtungsweise heraus, fand Fromherz, ein Forscher am Max-Planck-Institut München, vor einigen Jahren, die Lösung: Es wurde nicht mehr versucht eine direkte Verbindung zwischen dem Mikrochip und der Nervenzelle aufzubauen, denn wie bereits erklärt wurde, wäre es sinnlos gewesen. Es wurde vielmehr ein Medium in Form einer hauchdünnen Glasscheibe entwickelt, das den Informationsaustausch zwischen Chip und Neuron ermöglichen sollte.

Obwohl kein Ion oder Elektron durch die Glasscheibe zwischen dem Chip und dem Neuron hin- und herströmen konnte, fand dennoch ein Informationsaustausch statt. Man hatte einen Chip entwickelt, der das elektrische Feld der Nervenzelle registrieren und messen konnte. „Später war es auch möglich das Neuron dazu zu bringen, auf elektrische Spannungsschwankungen im Chip zu reagieren, und seit kurzem funktioniert beides gleichzeitig.“

(Vgl. Kybernetik, 8. Juli 2002,S.26 f. Z.29 ff.)

Zusammenfassend lässt sich also sagen: Es wurde ein Neurochip - ein Chip der mit einer Nervenzelle kommunizieren kann – entwickelt, der sowohl die Nervenzellenaktivität identifizieren und beeinflussen kann. So kann dieser Chip, wenn er mit den entsprechenden Neuronen und einer bionischen Prothese interagiert, auch die Steuerung von bionischen Prothesen durch einen gelähmten oder amputierten Menschen, ohne einen Arm- bzw. Beinstumpf, ermöglichen.

Diese Technologie und die bereits erwähnte sind noch in Entwicklung und noch verbesserungsbedürftig, so hat der Neurochip auch seine Grenzen, denn die Prothesen, die damit gesteuert werden, könnten keine dreidimensionale Bewegungen durchführen, da der Chip die komplexen Nervensignale, die damit verbunden wären, noch nicht analysieren kann - dieser Chip ist nur für einfache Bewegungsabläufe konzipiert worden.

Die Forschung in der Bionik bezüglich der intelligenten Prothesen steht noch am Anfang ihrer Blüte, neben den beschrieben Projekten sind noch viele andere im Gange: Ein bedeutendes Projekt zur Weiterentwicklung der Beweglichkeit der Armprothese wurde von einer Forschergruppe am Institut für Angewandte Informatik des Forschungszentrums Karlsruhe kürzlich abgeschlossen.

Es wurde eine Armprothese angefertigt, die fast einem natürlichen Arm in Form und Ästhetik gleicht. Die Besonderheit an dieser Prothese ist die Flexibilität in der Bewegung: „Herkömmliche Prothesen können sich nur öffnen und schließen, ähnlich wie eine Greifzange. Mit der neuen Handprothese kann der Patient dagegen verschiedene Griffe durchführen, die im Alltag wichtig sind.“(Kybernetik, 8. Juli 2002, S.27 Z.16 ff.).

Diese Prothese besteht nicht aus „mechanischen Gelenken“ (Kybernetik, 8. Juli 2002, S.27 Z.30) und hat deshalb eine ästhetischere Form, da sie nach dem „Hydraulik-Prinzip“ arbeitet (Kybernetik, 8. Juli 2002, S.27 Z.32):

„In den Fingern stecken Kammern aus flexiblem Kunststoff, die so genannten Aktoren. Je nach gewünschter Bewegung drückt eine Pumpe eine ölartige Flüssigkeit in die Aktoren. Die verformen sich und bewirken, daß sich die Finger krümmen.“(Kybernetik, 8. Juli 2002, S.27 Z.32 ff), dadurch ist die künstliche Hand besonders leicht und fühlt sich auch viel weicher an als gewöhnliche Prothesen, die hauptsächlich aus harten Materialien zur Stabilisierung bestehen.

Auch diese Prothese funktioniert nach dem Prinzip der Neuroprothese, dementsprechend ist der Träger in der Lage sie über Muskelsignale zu steuern, doch bis diese Erfindung auf den Markt kommt, werden noch viele Tests und Versuche zur Verbesserung durchgeführt werden müssen. Auch an der Entwicklung eines Tastsinns wird noch geforscht.

3.1 Das Retina-Implantat

An einem Retina-Implantat wird zurzeit an der Universität Bonn gearbeitet. Die Wissenschaftler dort wollen „den Sehnerv oder seine Anlaufstelle im Großhirn (Kortex) stimulieren“, nachdem sie die Funktion der Netzhaut nachgeahmt hatten. (Vgl. Kybernetik, 8. Juli 2002, S.28 Z.21 ff.).

Demzufolge hätten Blinde irgendwann die Möglichkeit, wenn diese Technologie ausgereift ist, wieder sehen zu können.

Einen größeren Erfolg hatte der Neurologe William Dobelle vom Presbyterian Center in den USA: Er hat durch den Einsatz eines Computers, einer Kamera und eines Mikrochips, bei einem Patienten das Hell-Dunkel-Sehen synthetisiert:

Der Computer digitalisiert (…) Videoaufnahmen und sendet sie an die 68 Platinelektroden, die (…) auf der Oberfläche der Großhirnrinde des Patienten sitzen.“ (Kybernetik, 8. Juli 2002, S.28 Z.34 ff.).

Hiermit wäre Dobelle einen entscheidenden Schritt weiter, denn diese Erfindung könnte nicht nur Blinden das Leben erleichtern, sondern auch Menschen mit nicht intakten Stäbchen in der Retina.

4. Der Mensch bald ein Cyborg?

Es gibt noch keine allgemeingültige Definition darüber, ab wann der Mensch als ein Cyborg^[7] bezeichnet werden kann, wahrscheinlich aber in naher Zukunft, wenn Prothesen und Implantate zum Alltag der Menschen gehören.

Dass der Mensch bald ein Cyborg wird, wäre also keine verkehrte Vorstellung, man könnte schon jetzt Menschen, die zum Beispiel einen Herzschrittmacher, eine Prothese, ein Cochlea-Implantat oder Sonstiges, das in den Bereich der Bionik bzw. Prothetik fällt, tragen, als kybernetische Organismen bezeichnen, denn meiner Meinung nach ist der Cyborg nichts Anderes als ein Mensch, der eine Symbiose mit einer Maschine eingeht.

Vor- und Nachteile

Es ist selbstverständlich, dass die künstlich erschaffenen Ersatzteile, nach dem heutigen Entwicklungsstand der Prothetik, in ihrer Funktionalität, den natürlichen Gliedmaßen bzw. Organen immer noch hinterherhinken, jedoch ist es nur eine Frage der Zeit, bis die Prothesen ihre Vorbilder übertreffen.

Bis dahin sind sie nur für Behinderte und Kranke eine gute Lösung.

Ethische Konflikte

Sollten Prothesen nur bei Behinderten und Kranken, oder in naher Zukunft auch bei gesunden Menschen zur Verbesserung ihrer Fähigkeiten eingesetzt werden?

Es wäre denkbar dass Menschen, die genug Mittel besitzen, sich Vorteile verschaffen würden: sei es durch einen hoch entwickelten bionischen Arm, der den biologischen Arm in Kraft, Leistung und Schnelligkeit bei Weitem übertrifft, oder durch einen Gehirnchip, der die Denkleistung erhöht, doch ob diese Vorteile gegenüber anderen Menschen, die diese nicht hätten, unfair wären, ist Ansichtssache und hängt davon ab, zu welchen Zweck sie verwendet werden.

Die Kybernetik bezüglich der medizinischen Entwicklung würde der Menschheit viele neue Möglichkeiten eröffnen, die zugleich neue ethische Konflikte verursachen würden, unter anderem auch dieselben aus der Gentechnik bzw. Genmanipulation: Zurzeit wird heftig diskutiert, ob man das Recht habe Menschen zu klonen oder ihre Gene zu verändern, um sie gegen Krankheitserreger zu immunisieren. Würde man nicht auf diese Weise eine neue Rasse Mensch erschaffen? Gleichgültig ob durch Veränderung der Gene oder Ersetzen der Köperteile durch Prothesen, es wird dadurch, wenn man so will, eine künstliche Evolutionsstufe erschaffen, in der der gewöhnliche Mensch der unterlegenere wäre.

5. Fazit

Nach dem heutigen Stand der Forschung in der Prothetik ist es bereits möglich, eine Interaktion zwischen Maschine, zum Beispiel dem Neurochip, und Mensch bzw. dessen Gehirn herzustellen.

Solange das Gehirn des Prothesenträgers, das den Haushalt und die Funktionen des Körpers regelt, korrekt funktioniert, könnte theoretisch jede Art von Prothese zur Wiederherstellung der verlorenen Körperfunktionen oder Gliedmaßen eingesetzt werden. Demnach hätte der Träger bessere Aussichten auf ein normales Leben.

Zwar sind Implantate und Prothesen in erster Linie für Behinderte und Kranke Menschen entwickelt worden, jedoch lässt sich nicht ausschließen, dass es so bleiben wird, denn was hindert einen Menschen daran, der Versuchung zu widerstehen, wenn er die Möglichkeit hat, sich über Exoprothesen und Implantate seine körperlichen und geistigen Fähigkeiten zu optimieren? Ganz zu schweigen von dem militärischen Einsatz dieser Technologie! Ein Missbrauch wäre unumgänglich. Mit dieser Technologie sollte man meiner Meinung nach nicht leichtsinnig umgehen, denn die Problematik ähnelt sehr der Genforschung:

zum Beispiel wäre es in der Genetik bestimmt irgendwann möglich, die Gene, die für das Altern verantwortlich sind zu manipulieren, um auf diese Weise die ewige Jugend und somit die Unsterblichkeit bewirken. In der Kybernetik dagegen könnte man in ferner Zukunft durch den Austausch von Gliedmaßen oder Organen, die durch den Alterungsprozess nicht mehr funktionsfähig sind, einem Menschen längeres Leben zusichern oder sogar die Unsterblichkeit, sollte man es schaffen, das Bewusstsein und die Erinnerungen in einen Computer zu transferieren.

Ob das ethisch vertretbar wäre, kann glaube ich noch niemand beantworten.

7. Quellennachweis

Vorbemerkung: die Adressen verweisen nicht direkt auf das Dokument, zur Einsicht siehe CD in der Anlage.

Monographien:

Adam, Andre/Kruger, Martin/Muhlberg, Jan Tobias/Schulte, Alexander/Seidel, Hannes, Gesellschaftliche Aspekte der Informatik - Kybernetik, http://zeus.fh-brandenburg.de, 8. Juli 2002

www.bionik.tu-berlin.de

www.dialog.inwent.org

www.expo2000.de

www.hu-berlin.de

www.kybs.de

www.lernzeit.de

www.med-con.de

www.mpi-magdeburg.mpg.de

www.spiegel.de

www.wikipedia.de

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^[1] Informationsaufnahme, -verarbeitung und -weitergabe sowie Regelung

^[2] hilft gegen verschiedenen Nervenkrankheiten, zum Beispiel: Parkinson, Epilepsie usw.

^[3] eine künstliche Innenohrschnecke

^[4] künstlich hergestellter Arm = bionischer Arm

^[5] hier: eine Prothese, die über Muskelzuckungen bzw. Muskelsignalen gesteuert wird

^[6] Stoffe die den elektrischen Strom leiten

^[7] aus dem Englischen: Cybernetical Organism