Closed-Loop Hirnstimulation und next-generation Hirn-Maschine-Schnittstellen

Das Labor für Klinische Neurotechnologie untersucht, wie Neurotechnologien bei der Behandlung neurologischer und psychiatrischer Störungen eingesetzt werden können.

Neurotechnologien sind technologische und computergestützte Werkzeuge, die Signale des Gehirns analysieren und in der Lage sind, diese gezielt zu modifizieren. Dazu gehören fortschrittliche Neuroimaging-Methoden wie die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) oder die Magneto- und Elektroenzephalographie (M/EEG), die nicht-invasive Hirnstimulation (NIBS) wie die transkranielle elektrische und magnetische Stimulation (tES/TMS) und die Neuromodulation auf der Grundlage hirnzustandsabhängiger sensorischer Rückkopplung.

In seinem Kern entwickelt und verwendet das Labor neuartige Gehirn-Computer- und Maschinen-Schnittstellen (BCI/BMI), die die Gehirnaktivität in Steuerbefehle externer Geräte übersetzen, sowie deren Kombination mit nicht-invasiver Hirnstimulation.

Forschung
Closed-Loop Hirnstimulation
Um die Behandlung von psychiatrischen und neurologischen Störungen voranzutreiben, entwickelt unser Labor Methoden zur nicht-invasiven Neuromodulation von elektromagnetischen Hirnschwingungen. Dabei bauen wir einerseits auf bestehenden Methoden wie der transkraniellen elektrischen (tES) oder magnetischen (TMS) Stimulation sowie auf Protokollen zur sensorischen Stimulation auf. Andererseits entwickeln wir eine neue Stimulatortechnologie, um die gezielte Steuerung bestimmter Hirnareale mit Hilfe mehrerer elektromagnetischer Störfelder zu verfeinern. Die Forschung hat gezeigt, dass die Auswirkungen der nichtinvasiven Neuromodulation entscheidend vom aktuellen Zustand des Gehirns abhängen. Aus diesem Grund setzen wir Echtzeit-Computersysteme ein, die eine kontinuierliche Messung der Hirnaktivität und somit ein exaktes Timing der Stimulation ermöglichen. Unsere Methoden werden dann eingesetzt, um grundlegende Mechanismen der Wahrnehmung (z.B. binokulare Rivalität) und der Kognition (z.B. Arbeitsgedächtnis) zu untersuchen, mit Blick auf klinische Übersetzungen im Zusammenhang mit pathologischen Hirnschwingungen in der Psychiatrie und Neurologie.
Echtzeit-Modellierung und Klassifikation von Hirnzuständen
Um den Zustand des Gehirns während der Neuromodulation zu charakterisieren, zeichnen wir elektromagnetische Schwingungen mittels Elektroenzephalographie (EEG) und Magnetoenzephalographie (MEG) auf. Dann wenden wir etablierte Ansätze wie lineare Klassifikatoren und Konnektivitätsmaße in Kombination mit Quellenrekonstruktionsmethoden an, entwickeln aber auch innovative mathematische Ansätze, die die Quantifizierung anderer Aspekte der Gehirnphysiologie, wie z.B. ihres dynamischen Charakters, ermöglichen. Dazu gehören eine Reihe von Methoden wie die Messung der Gehirn(transfer)entropie und der Phasenströme (Wanderwellen) zwischen den Hirnarealen. Wir arbeiten auch an spezieller Echtzeit-Hardware, die in der Lage ist, eingehende EEG-Daten in weniger als 5 Millisekunden zu verarbeiten und TMS-Pulse entsprechend dem aktuellen Gehirnzustand auszulösen.
Neuronale Kontrolle von Exoskeletten
Für die Rehabilitation von motorischen Funktionen z.B. nach einem Schlaganfall oder einer Rückenmarksverletzung, entwickeln wir Brain-Computer-Interfaces (BCI), die assistive Geräte wie zum Beispiel ein Hand-Exoskelett steuern. Mit Hilfe von EEG und MEG lesen wir Gehirnsignale aus der geschädigten Region im sensomotorischen Kortex aus, während die Patienten sich Bewegungen vorstellen. Dieses Signal wird in ein Steuersignal für das Exoskelett übersetzt, welches Patienten hilft, alltäglichen Lebensfunktionen wiederzuerlangen und gleichzeitig die Heilung der beschädigten Verbindungen ermöglicht.
Optisch gepumpte Magnetometer
Um Hirn-Computer-Schnittstellen der nächsten Generation zu entwickeln, etablieren wir uns an der Spitze der nicht-invasiven Sensortechnologie zur Messung des Magnetfeldes des Gehirns. Optisch gepumpte Magnetometer (OPM) ermöglichen die Aufzeichnung von MEG Signale bei Raumtemperatur, ohne flüssiges Helium und ohne die Kosten, die mit der Wartung großer, komplexer und teurer Geräte verbunden sind. Darüber hinaus wird diese Technologie voraussichtlich in den nächsten Jahren herkömmliche MEG-Sensoren in Bezug auf Auflösung und Signalqualität übertreffen und gleichzeitig Messungen während der Mobilität der Teilnehmer ermöglichen. Wir entwickeln daher neuartige BCI-Anwendungen mit dieser Technologie.
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Media
Team
Clinical neurotechnology lab team
Prof. Dr. Surjo Soekadar - Group leader

Prof. Dr. Surjo Soekadar
Einstein Professor für Klinische Neurotechnologie, Gruppenleiter

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Surjo R. Soekadar ist Einstein-Professor für Klinische Neurotechnologie an der Charité -Universitätsmedizin Berlin. Nach seinem Medizinstudium in Mainz, Heidelberg und Baltimore absolvierte er seine Facharztausbildung in Psychiatrie und Psychotherapie an der Universität Tübingen. Von 2008-2011 war er als Gastwissenschaftler am National Institute ofNeurological Disorders and Stroke (NINDS) in Bethesda, USA, tätig. Im Jahr 2017 erhielt er die venia legendiat der Universität Tübingen und 2018 wurde er als erster deutscher Professor für Klinische Neurotechnologie an die Charité in Berlin berufen. Für seine wissenschaftliche Arbeit, die auch vom Europäischen Forschungsrat (ERC) gefördert wird, hat Surjo Soekadar zahlreiche Auszeichnungen erhalten, darunter den Internationalen BCI-Forschungspreis und die BIOMAG- und NARSAD Young Investigator Awards.
David Haslacher - Clinical neurotechnology lab

David Haslacher, MSc
Doktorand

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David Haslacher promoviert derzeit im Fach Medizinische Neurowissenschaften an der Charité in Berlin, wo er seit 2018 als wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe Klinische Neurotechnologie unter der Leitung von Prof. Soekadar tätig ist. Von 2016 bis 2018 war er in der Gruppe Angewandte Neurotechnologie am Universitätsklinikum Tübingen tätig. In dieser Zeit absolvierte er den Masterstudiengang Computational Neuroscience an der Universität Tübingen. Von 2013 bis 2015 absolvierte er ein Masterstudium in Künstlicher Intelligenz an der Universität Utrecht. Von 2009 bis 2012 absolvierte er einen Bachelor-Abschluss in Informatik an der Universität München. Während dieser Zeit arbeitete er als Softwareentwickler in verschiedenen Branchen, darunter Luft- und Raumfahrttechnik (Silver Atena GmbH), Werkzeugmaschinen (Grob-Werke GmbH), Pharmazie (Siemens Healthcare GmbH) und Automotive (Bosch GmbH). Seine Forschungsinteressen konzentrieren sich auf die Entwicklung nicht-invasiver elektromagnetischer und sensorischer Hirnstimulationsprotokolle im geschlossenen Regelkreis zur Behandlung psychiatrischer Störungen.
Khaled Nasr - Clinical neurotechnology lab

Kahled Nasr, MSc
Doktorand

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Ich habe mein Studium mit einem Bachelor in Mechatronik begonnen, weil ich mich schon immer für Robotik und künstliche Intelligenz interessiert habe. Meine Interessen verlagerten sich allmählich in Richtung Gehirn, und so machte ich in Tübingen meinen Master in Computational Neuroscience. Jetzt habe ich mich dafür entschieden, an der Schnittstelle zwischen Technologie und Neurowissenschaften zu arbeiten. Mein Ziel ist es, zuverlässige und spezifische Methoden für die nicht-invasive Interaktion mit der menschlichen Hirnaktivität zu entwickeln, und das macht den Großteil meiner Arbeit als Doktorand im Labor für klinische Neurotechnologie aus. In meinem Hauptprojekt geht es um die Entwicklung einer neuartigen Methode zur transkraniellen Magnetstimulation, bei der die Magnetfelder mehrerer Spulen kombiniert werden, um eine verbesserte räumliche Auflösung zu erzielen. Ich interessiere mich auch für andere nicht-invasive Technologien wie optisch gepumpte Magnetometer und allgemein für Methoden der Hirnstimulation mit geschlossenem Regelkreis.
Anne Wrana - Clinical neurotechnology lab

Anne Wrana
Medizinisch-technische
Assistentin

Annalsia Collucci - Clinical neurotechnology lab

Annalisa Colucci, MSc
Doktorandin

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Frau Annalisa Colucci schloss 2016 das BSc-Programm in Psychologischen Wissenschaften und Techniken an der Universität Turin (Italien) und 2018 das MSc-Programm in Kognitiver Neurowissenschaft und Klinischer Neuropsychologie an der Universität Padua (Italien) ab. Im Jahr 2019 trat Frau Colucci als wissenschaftliche Mitarbeiterin in das Labor für Klinische Neurotechnologie an der Charité -Universitätsmedizin Berlin ein, wo sie nun einen Doktortitel in "Experimenteller Medizin" anstrebt. Sie war an der Entwicklung und Erprobung eines kontextsensitiven, hirngesteuerten Handexoskeletts für Tetraplegiker und Schlaganfallpatienten sowie an der Entwicklung einer neuartigen entropiegesteuerten Brain-Computer-Schnittstelle beteiligt. Ihre derzeitige Arbeit konzentriert sich auf die Kombination von BCI und geschlossener elektrischer Stimulation des Gehirns, um Neuroplastizität und Heilungsprozesse für geschädigte neuronale Substrate sensomotorischer Funktionen zu fördern.
Mareike Vermehren - Clinical neurotechnology lab

Mareike Vermehren, MSc
Doktorandin

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Nach Abschluss meines Studiums der Kognitionswissenschaften und der Neural- und Verhaltenswissenschaften in Tübingen habe ich mich dem Team in Berlin angeschlossen, wo ich derzeit an der Kombination von BCI-Technologie und tACS zur Rehabilitation der Motorik bei Schlaganfallpatienten arbeite. Meine Forschungsinteressen liegen in den Bereichen Neurorehabilitation, Gehirn-Computer-Schnittstellen und Biosignalverarbeitung.
Orestis Rakitzis - Clinical neurotechnology lab

Orestis Rakitzis, MSc
Studentischer Mitarbeiter

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Ich habe von 2009 bis 2015 an der A.U.Th. (GR) Medizin studiert. Nach einer Zeit in Krankenhauskliniken entschied ich mich, meiner Leidenschaft für die Hirnforschung zu folgen und zog für einen zweijährigen M.Sc. in Medizinischen Neurowissenschaften an der Charite Universitätsmedizin Berlin nach Berlin. Zu meinen wissenschaftlichen Interessen gehören NIBS, Psychiatrie und Entscheidungsfindung.
Jan Zerfowski - Clinical neurotechnology lab

Jan Zerfowski, MSc
Doktorand

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Jan studierte Informatik und Kognitionswissenschaften in Münster, Osnabrück und Nijmegen. Derzeit arbeitet er an seiner Masterarbeit, in der er die Machbarkeit der Kontrolle des Exoskeletts mit optisch gepumpten Magnetometern untersucht.
Cornelius Angerhöfer - Clinical neurotechnology lab

Cornelius Angerhöfer
Medizinischer Doktorand

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Cornelius Angerhöfer ist seit 2019 im Labor und promoviert derzeit neben seinem Medizinstudium an der Universität Tübingen. In seiner Arbeit entwickelt er klinische Methoden, um neurale Hand-Exoskelette hinsichtlich ihres tatsächlichen Nutzens für Schlaganfallpatienten und Personen mit Rückenmarksverletzungen zu evaluieren.
Vincent Jonany - Clinical neurotechnology lab

Vincent Jonany, MSc
Doktorand

Mehr Informationen
Vincent studierte Informatik an der Technischen Universität Berlin. Später begann er Anfang 2021 seine Arbeit im Labor, wo er sich auf die Entwicklung der ersten bidirektionalen, nicht-invasiven Gehirn-Computer-Schnittstelle unter Verwendung von optisch gepumpten Magnetometern und transkranieller elektrischer Stimulation konzentriert.
Maria Buthut - Clinical neurotechnology lab

Maria Buthut, Dr. Med.
Post-doctoral Researcher

Mehr Informationen
Ich habe von 2004 bis 2007 Pharmazie und dann von 2007 bis 2013 Medizin studiert. Ich habe in verschiedenen Krankenhäusern und in verschiedenen Abteilungen gearbeitet, zum Beispiel in der Neurologie und Psychiatrie. Hier in Berlin arbeite ich immer noch in beiden Abteilungen und folge meinem Interesse für Neurowissenschaften - insbesondere für Gedächtnisfunktionen.
Anna Kattein - Clinical neurotechnology lab

Anna Kattein
Studentische Hilfskraft

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Anna Kattein studierte Physik im Bachelor an der Humboldt-Universität zu Berlin. Derzeit absolviert sie ihren Master in Physik mit dem Schwerpunkt Computational Neuroscience. Anna kam im Rahmen ihrer Bachelorarbeit in unser Labor für Klinische Neurotechnologie an der Charité und ist seit September 2022 als studentische Hilfskraft tätig. Sie interessiert sich besonders für die Mechanismen der transkraniellen Stimulation auf Neuronen und die Closed-Loop-Stimulation.
Fabian Pfeiffer - Clinical neurotechnology lab

Fabian Pfeiffer
Studentische Hilfskraft

Mehr Informationen
Fabian Pfeiffer absolvierte sein Bachelorstudium in Embedded Systems Engineering an der Universität Freiburg. Er absolviert derzeit ein Masterstudium an der TU-Berlin und tritt im Januar 2023 in das Labor ein. Sein Interesse gilt der nicht invasive Hirnstimulation und Gehirn-Computer-Schnittstellen.
Elisabeth Pangratz - Clinical neurotechnology lab

Elisabeth Pangratz
Wissenschaftliche Mitarbeiterin

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Elisabeth Pangratz studierte Statistik (B.Sc.) und Informatik (M.Sc.) an der LMU München. Ihr Interesse an den Neurowissenschaften entdeckte sie während ihrer Masterarbeit an der TU Berlin über ERPs von auditiven Erwartungsverletzungen bei Pianisten. Seit 2023 arbeitet sie in unserem Labor und beschäftigt sich mit nicht-invasiver Hirnstimulation, insbesondere tACS, um neuronale Oszillationen zu manipulieren und deren mit besonderem Interesse an der Gedächtnisfunktion und der Rückfallprävention bei Suchtkrankheiten.
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