Thalamus: ein Echtzeitsystem zur synchronisierten, geschlossen Schleifen multimodalen Verhaltens- und elektrophysiologischen Datenerfassung

Warum es wichtig ist, Gehirn und Körper gemeinsam zu verfolgen

Moderne Hirnoperationen und Brain‑Computer‑Interfaces sind darauf angewiesen zu sehen, was Gehirn und Körper gleichzeitig und mit hoher Präzision tun. Doch in einem belebten Operationssaal beobachten verschiedene Geräte Gehirn, Muskeln, Herz und Bewegungen oft getrennt voneinander und ohne gemeinsame Uhr. Dieser Artikel stellt Thalamus vor, ein offenes Softwaresystem, das all diese Signale in Echtzeit zusammenführt und Ärzten sowie Forschern hilft, besser zu verstehen, wie Gehirnaktivität mit Verhalten verknüpft ist und wie neue Therapien sicher getestet werden können.

Ein zentraler Hub für viele Signale

Thalamus ist als zentraler Hub konzipiert, der viele Sensoren, die bereits in Kliniken vorhanden sind, ansprechen kann — etwa Hirnelektroden, Motion‑Capture‑Handschuhe, Kameras und Herzmonitore. Anstatt jedes Gerät als Insel zu behandeln, versieht Thalamus jeden Datenstrom beim Eintreffen mit Zeitstempeln, sodass Gehirnwellen, Handbewegungen und andere Messwerte bis auf Bruchteile einer Millisekunde ausgerichtet werden können. Diese synchronisierte Sicht ist besonders wertvoll bei kurzen und heiklen neurochirurgischen Eingriffen, bei denen kaum Platz oder Zeit für zusätzliche Hardware bleibt.

Wie das System aufgebaut ist

Um mit dem hohen Datenaufkommen Schritt zu halten, verwendet Thalamus ein zweischichtiges Design. Eine benutzerfreundliche Python‑Schicht betreibt das Kontrollpanel und die Versuchsoberfläche, die Forscher und Patient sehen. Eine schnellere C++‑Schicht übernimmt die rechenintensiven Aufgaben: Daten von Geräten erfassen, sie durch eine Kette von Verarbeitungsschritten leiten und abspeichern. Diese Schritte sind in modulare „Nodes“ organisiert, die jeweils Daten erfassen, transformieren oder speichern können. Forschende können Nodes kombinieren, um neue Sensoren anzubinden, einfache Kennzahlen wie Signalstärke zu berechnen oder andere Geräte zu triggern — und das System dabei stabil und reaktionsschnell zu halten.

Echtzeit‑Feedback und Sicherheit

Ein zentrales Ziel von Thalamus ist es, die Schleife zwischen Wahrnehmen und Handeln zu schließen. Die Software kann eingehende Signale überwachen, Berechnungen in Echtzeit durchführen und dann zeitnahes Feedback senden, etwa um eine virtuelle Hand zu steuern oder Hirnstimulationshardware auszulösen. Die Autor:innen maßen die Dauer dieser Schleifen in einer Reihe von Labortests. Sie zeigen, dass Thalamus innerhalb der Software Änderungen in weit unter einer Millisekunde erkennen und darauf reagieren kann, und im Bereich von etwa einer Millisekunde, wenn übliche Datenakquisitionskarten mit einbezogen werden. Der sorgfältige Einsatz moderner Kommunikationswerkzeuge hilft dem System, Fehler zu erkennen, Datenverlust zu vermeiden und nahezu alle Informationen wiederherzustellen, selbst wenn ein Prozess auf dem Rechner plötzlich stoppt.

Genauigkeit im Labor und im Operationssaal nachweisen

Das Team überprüfte, dass Thalamus verschiedene Datenströme synchron hält, indem es einfache Testschaltungen baute und diese mit Motion‑Capture‑Handschuhen und Kameras kombinierte. Wenn ein Knopf losgelassen wurde, stimmten der Spannungsanstieg, die aufgezeichnete Fingerbewegung und die Helligkeitsänderung einer LED innerhalb weniger Tausendstelsekunden überein. Sie setzten das System außerdem unter Belastung, indem sie Bildraten erhöhten und ausführliche Zusammenfassungen der Hirnsignale berechneten, und stellten fest, dass das Timing auch bei steigender Last eng blieb. Schließlich wurde Thalamus in den Operationssaal zu Patient:innen gebracht, die sich einer Tiefenhirnstimulation unterzogen. Dort zeichnete die Software feine Handbewegungen zusammen mit Signalen von Elektroden in einer tiefen, bewegungsrelevanten Hirnregion auf und zeigte den erwarteten Abfall bestimmter rhythmisierter Hirnaktivität während der Handbewegungen.

Was das für Patientenversorgung und Forschung bedeutet

Aus Sicht von Laien wirkt Thalamus wie ein hochpräziser Dirigent, der viele medizinische „Instrumente“ synchronisiert, sodass komplexe Wechselwirkungen zwischen Gehirn und Körper klar sichtbar werden, statt im Nachhinein nur vermutet zu werden. Da das System auf bestehender Klinik‑Hardware aufbaut, Open‑Source ist und sowohl im Labor als auch in realen Operationen erprobt wurde, senkt Thalamus die Hürden für datenreiche Experimente im klinischen Umfeld. Mit der Zeit könnten solche synchronisierten Sichtweisen auf Hirnsignale und Verhalten personalisiertere Brain‑Computer‑Interfaces und Therapien unterstützen und es erleichtern, Behandlungen individuell abzustimmen, ohne OP‑Risiko oder Belastung zu erhöhen.

Zitation: Haggerty, J., Qureshi, Q., Gabriel, E.D. et al. Thalamus: a real-time system for synchronized, closed-loop multimodal behavioral and electrophysiological data capture. Commun Eng 5, 93 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00646-z

Schlüsselwörter: multimodale Neurowissenschaft, Brain‑Computer‑Interface, Datenerfassung in der Neurochirurgie, Echtzeit‑Neuralaufzeichnung, geschlossen‑Loop‑Neuromodulation