Brain Computer Interfaces (BCI) erklärt

Brain-Computer-Interfaces (BCI) sind Geräte, die einen direkten Kommunikationsweg zwischen der elektrischen Aktivität eines Gehirns und einer externen Ausgabe schaffen. Ihre Sensoren erfassen elektrophysiologische Signale, die zwischen den Neuronen des Gehirns übertragen werden, und leiten diese Informationen an eine externe Quelle wie einen Computer oder ein Roboterglied weiter, wodurch eine Person im Wesentlichen ihre Gedanken in Taten umsetzen kann.

Diese Gehirnchips werden in einem tragbaren Gerät über die Kopfhaut geführt, chirurgisch unter der Kopfhaut platziert oder sogar in das Gehirngewebe implantiert. Die Idee ist, dass ein Signal umso klarer oder „hochauflösender“ interpretiert werden kann, je näher der Chip am neuronalen Netzwerk des Gehirns ist.

Eine Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI) ist ein Gerät, das es dem menschlichen Gehirn ermöglicht, mit externer Software oder Hardware, wie einem Computer oder einem Roboterglied, zu kommunizieren und diese zu steuern.

Gehirn-Computer-Schnittstellen, die einst ein cyborgisches Science-Fiction-Thema waren, das zu Beginn der 2000er Jahre Wirklichkeit wurde, boomen heute. Der 1,74-Milliarden-Dollar-Markt soll bis zum Ende des Jahrzehnts auf 6,18 Milliarden Dollar anwachsen. Während die Gesundheitstechnologieforschung voranschreitet und die Nachfrage wächst, treten Startups an die Spitze, um die neue Welle der Mensch-Computer-Interaktion voranzutreiben.

Ramses Alcaide, CEO des Neurotech-Startups Neurable, das nicht-invasive Gehirn-Computer-Schnittstellen in Form von Kopfhörern entwickelt, sieht das Potenzial, dass BCI-gestützte Geräte zu einem Alltagsgegenstand für den Durchschnittsbürger werden.

„Wenn wir Gehirn-Computer-Schnittstellen zugänglich und nahtlos genug machen können, können sie in unser tägliches Leben integriert werden, so wie wir heute Smartphones oder Laptops nutzen“, sagte Alcaide gegenüber Built In. „Aber um wirklich zu einem allgegenwärtigen Werkzeug zu werden, müssen sie komfortabel, intuitiv und zuverlässig genug sein, dass Menschen sie verwenden können, ohne bewusst darüber nachzudenken – ähnlich wie wir eine Maus oder Tastatur verwenden, um mit einem Computer zu interagieren.“

Heutzutage besteht die häufigste Anwendung von Gehirn-Computer-Schnittstellen darin, einen Cursor durch Gedanken zu bewegen. Und während sich die meisten Projekte in einer experimentellen Phase befinden, sind einige zu Versuchen am Menschen übergegangen.

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Obwohl sich Gehirn-Computer-Schnittstellen in Art und Ansatz unterscheiden, sind sie alle der Elektrophysiologie des neuronalen Netzwerks eines Gehirns nachempfunden.

Wenn wir eine Entscheidung treffen – oder auch nur darüber nachdenken, eine Entscheidung zu treffen – werden elektrische chemische Signale ausgelöst. Dieses Phänomen ist in unserem Nervensystem lokalisiert; genauer gesagt in den Lücken zwischen Neuronen, den sogenannten Synapsen, während sie hin und her kommunizieren.

Um diese Gehirnaktivität zu erfassen, platzieren BCIs Elektroden in der Nähe dieser Gespräche. Diese Sensoren erkennen Spannungen und messen die Frequenz und Intensität jeder „Spitze“, wenn sie ausgelöst wird oder möglicherweise ausgelöst wird.

„Wir nehmen das elektrische Geschwätz der miteinander kommunizierenden Gehirnneuronen auf.“

„Es ist wie ein Mikrofon; aber in diesem Fall hören wir elektrische Aktivität statt Schall“, sagte Craig Mermel, Präsident und Chief Product Officer bei Precision Neuroscience, einem Startup, das ein halbinvasives, reversibles Nervenimplantat entwickelt. „Wir nehmen das elektrische Geschwätz der miteinander kommunizierenden Gehirnneuronen auf.“

Diese Informationen werden dann durch lokale Computersoftware geleitet, wo sie in einem Prozess übersetzt werden, der als neuronale Dekodierung bekannt ist. Hier übernehmen verschiedene Algorithmen des maschinellen Lernens und andere Agenten der künstlichen Intelligenz die Aufgabe, komplexe Datensätze, die aus der Gehirnaktivität gesammelt werden, in ein programmierbares Verständnis der Absicht des Gehirns umzuwandeln.

„Das kurzfristige Ziel [von Gehirn-Computer-Schnittstellen] besteht darin, die Fähigkeiten denjenigen zurückzugeben, die sie verloren haben“, sagte Sumner Norman, Wissenschaftler beim gemeinnützigen Startup Convergent Research und ehemaliger Chefwissenschaftler für Gehirn-Computer-Schnittstellen beim Softwareunternehmen AE Studio. „Langfristig soll diese Technologie aber auch eine Art Tertiärkortex schaffen, also eine andere Ebene der menschlichen Gehirnfunktion und eine exekutive Funktion, die es uns ermöglichen würde, fast übermenschlich zu sein.“

Dies sind einige der häufigsten Anwendungsfälle von Gehirn-Computer-Schnittstellen:

Durch die Bereitstellung einer neuronalen Rückkopplungsschleife in Echtzeit, die das Gehirn neu verdrahtet, sind BCIs in der Lage, Bewegung, Mobilität und Autonomie gelähmter und behinderter Patienten wiederherzustellen und so ihre Lebensqualität zu verbessern. In chronischeren Fällen werden Robotergeräte und Gliedmaßen integriert.

Headsets sind eine Möglichkeit, einen nicht-invasiven Ansatz für Gehirn-Computer-Schnittstellen zu bieten. Einige steigern die Produktivität und verbessern die Konzentration, wie bei Neurables Enten zu sehen ist, während andere nach einem Schlaganfall die motorischen Funktionen der oberen Extremitäten einer Person wiederherstellen, wie zum Beispiel das IpsiHand-System von Neurolutions Inc.

Nonverbale Personen, die nach einem Schlaganfall oder einer schweren Verletzung möglicherweise in einem „gesperrten“ Zustand stecken bleiben, können Augenbewegungen für computergestützte Kommunikation nutzen.

In mehreren Studien haben Benutzer die Kontrolle über Social-Networking-Apps, E-Mail-Verwaltung, virtuelle Assistenten und Instant-Message-Dienste ohne motorische Fähigkeiten ausgeübt. Das Dimmen des Lichts oder das Wechseln des Senders auf einem Fernseher sind Beispiele dafür, wie BCIs im Zuhause angepasst werden können.

Das Verteidigungsministerium hat Forschungen zur Entwicklung freihändiger Drohnen für den militärischen Einsatz finanziert. Dies würde es Soldaten ermöglichen, Schwärme unbemannter Luftfahrzeuge telepathisch zu steuern.

Das von Elon Musk geleitete Neurotechnologieunternehmen entwickelt ein münzgroßes chirurgisches Implantat. Um die Gehirnaktivität so genau wie möglich zu überwachen, verwendet Neuralinks Gerät, der Link, Elektrodendrähte im Mikrometerbereich, die sich fächerförmig in das Gehirn erstrecken. Der Schwerpunkt liegt auf der Behandlung von Lähmungen. Neben einem „Fitbit für deinen Schädel“ baut das Startup einen acht Fuß großen Roboter, um die Nervenfäden zu platzieren.

Das Startup für Gehirn-Computer-Schnittstellen entwickelt Software und Hardware – in Form von Kopfhörern –, die Gehirnsignale interpretieren, um die Produktivität zu steigern. Sein erstes Paar, Enten, nutzt fortschrittliche Datenanalyse- und Signalverarbeitungstechniken, um die Spitzenkonzentrationszeiten eines Benutzers im Laufe des Tages zu maximieren. Das tragbare, BCI-erweiterte Gerät schaltet Benachrichtigungen automatisch stumm, aktiviert die Geräuschunterdrückung und aktiviert „Bitte nicht stören“. Es verfolgt außerdem, wie sich unterschiedliche Songs und Genres auf die Konzentration eines Benutzers auswirken, empfiehlt dann personalisierte Playlists und schlägt Pausen vor.

Die neuronale Plattform nähert sich Gehirn-Computer-Schnittstellensystemen mit einem chirurgisch implantierten Gehirnchip an, der minimalinvasiv und vollständig reversibel ist. Die kortikale Schnittstelle der Schicht 7 ist ein dünner Film aus Mikroelektroden, etwa 1,5 Zentimeter lang und nur einen Bruchteil eines Haares dick, der sich der Hirnrinde direkt unter dem Schädel anpasst, ohne Gewebe zu beschädigen. Die Technologie von Precision möchte BCIs als Mittel zur Behandlung neurologischer Erkrankungen von kleinen Forschungslabors in medizinische Einrichtungen integrieren.

Mit Unterstützung von Bill Gates und Jeff Bezos kartiert das bioelektronische Medizinunternehmen das Gehirn mithilfe von Blutgefäßen. Die Stentrode wird durch die Halsvene eingeführt und ist eine Neuroprothese, die im Sinus sagittalis superior in der Nähe des motorischen Kortex platziert wird. Der acht Millimeter große flexible Legierungschip überträgt neurologische Signale an eine in die Brust des Patienten implantierte Empfängereinheit, die dann Gedanken in Echtzeit in Klicks und Tastenanschläge auf einem Computer oder Mobilgerät umwandelt. Laut der medizinischen Fachzeitschrift JAMA Network erhielt Synchron im Jahr 2021 von der US-amerikanischen Food and Drug Administration die Genehmigung für klinische Studien am Menschen mit bisher insgesamt vier Patienten.

Die Neurotech-Plattform testet ihre Geräte seit 2004 in den zwei Jahrzehnten der Entwicklung von Gehirn-Computer-Schnittstellen am Menschen. Das Produktportfolio von Blackrock hat Patienten dabei geholfen, ihre taktile Funktion, die Bewegung ihrer eigenen Gliedmaßen und Prothesen sowie die Fähigkeit, digitale Geräte ausschließlich durch Gedanken zu steuern, wiederzuerlangen. Sein neuestes Projekt, Neuralace, ist ein flexibles, sechseckiges Netzpflaster – dünner als eine Wimper –, das sich an die Risse und Furchen des Gehirns anpasst. Seine große Oberfläche kann 10.000 neuronale Kanäle erfassen und kommt damit der Datenerfassung des gesamten Gehirns immer näher.

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Nach einer neurologischen Rehabilitation können Patienten mithilfe von Gehirnchips und Wearables die direkte Kontrolle über Exoskelette und Roboterglieder erlangen. Dies wird ermöglicht, indem Signale direkt vom Gehirn gelesen werden und die Muskelaktivität an der Verletzungs- oder Krankheitsstelle – beispielsweise einem durchtrennten Rückenmark – vollständig umgangen wird.

Mit Gehirn-Computer-Schnittstellen können Sie sagen, was Sie denken können. Es kommt nur darauf an, wie schnell neuronale Dekodierungssoftware aufholen kann.

Ein Team der Stanford University hat herausgefunden, dass sein Gehirnchip 62 Wörter pro Minute hacken kann, was einer natürlichen Konversation entspricht. Die Studie umfasste einen nonverbalen Patienten, der an amyotropher Lateralsklerose litt und über einen vorprogrammierten Wortschatz von 125.000 Wörtern verfügte, was „einen gangbaren Weg für die Verwendung intrakortikaler Sprach-Gehirn-Computer-Schnittstellen darstellt, um eine schnelle Kommunikation für Menschen mit Lähmungen wiederherzustellen, die nicht mehr sprechen können.“ ."

In einer Studie wurde festgestellt, dass Personen mit ALS, Zerebralparese, Hirnstammschlaganfall, Rückenmarksverletzungen, Muskeldystrophien oder chronischen peripheren Neuropathien von BCIs profitieren können. Neuronale Implantate können möglicherweise Erkrankungen behandeln oder zumindest die Lebensqualität von Patienten mit chronischen oder unheilbaren Diagnosen verbessern.

Gehirn-Computer-Schnittstellen könnten eines Tages möglicherweise psychiatrische Erkrankungen wie bipolare Störungen, Zwangsstörungen, Depressionen und Angstzustände lindern.

Mithilfe von Neurofeedback-Techniken können sie auch dazu beitragen, häufiger auftretenden Erkrankungen wie Burnout und Müdigkeit vorzubeugen, indem sie bestimmte Bereiche des Gehirns gezielt elektrisch stimulieren.

„Es sieht vielleicht nicht so auffällig aus, weil jemand in der Demo einfach ein bisschen glücklicher aussieht“, sagt Norman, dessen Forschung als Postdoktorand am California Institute of Technology sich auf diese nächste Generation der Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie konzentrierte. „Aber wenn Ihnen eine Lösung angeboten würde, bei der ich sagen würde, dass ich mit einem einzigen Gerät jede Form Ihrer Angst behandeln kann und Ihnen außerdem Schlaf auf Abruf und hundert andere Anwendungen anbieten kann, die Ihr Leben ein wenig besser machen könnten.“ Ich glaube schon, dass viele Leute diese Technologie übernehmen würden.

Benutzer können ihr Gehirn – Gedächtnis, exekutive Funktionen und Verarbeitungsgeschwindigkeit – mithilfe des Biofeedbacks, das sie von einem Nervenimplantat erhalten, in Echtzeit trainieren. Ähnlich wie bei heute verfügbaren tragbaren Technologien und Apps könnten Benutzer ihre Statistiken überwachen und sich entsprechend selbst regulieren.

Während ein Großteil des Gehirns weiterhin ein Rätsel bleibt, schaffen BCIs einen direkten Kanal zu unseren Gedanken – komplett mit einem Prozess zur Entschlüsselung seiner Sprache.

„Gehirn-Computer-Schnittstellen können als Werkzeug verwendet werden, um zu verstehen, wie das Gehirn funktioniert“, sagte Byron Yu, Professor für Elektrotechnik, Computertechnik und Biomedizintechnik an der Carnegie Mellon University. Der Schwerpunkt seiner Forschungsgruppe liegt auf der Untersuchung, wie das Gehirn lernt.

„Wenn ich dir einen Tennisschläger gebe und du damit übst, wirst du besser im Tennisspielen. Ebenso, wenn ich dir eine Gehirn-Computer-Schnittstelle gebe und du damit übst, wirst du besser darin, die Gehirn-Computer-Schnittstelle zu nutzen.“ ," er sagte. „Wir können dann untersuchen, was sich im Gehirn verändert, während Sie den Umgang mit dem Gerät erlernen. Unsere Erkenntnisse werden schließlich zu Methoden führen, die Menschen dabei helfen, alltägliche Fähigkeiten schneller und auf einem höheren Leistungsniveau zu erlernen.“

Gehirn-Computer-Schnittstellen verfügen über mehr als ein halbes Jahrhundert Forschungsarbeit und mehrere Konzeptnachweise, die Tests am Menschen bestanden haben. Was ist also der Grund für die Verzögerung?

Die beiden größten Hürden, die eine breite Einführung von BCIs verhindern, hängen mit der behördlichen Genehmigung und Finanzierung zusammen.

Da Gehirn-Computer-Schnittstellen als eine Art medizinisches Gerät registriert sind, unterliegen sie der Zuständigkeit der FDA. Unabhängig vom Produkt ist die Patientensicherheit das Hauptanliegen der Einrichtung.

Die Herausforderung besteht darin, dass BCIs derzeit in einer eigenen Liga existieren. Die Geräte selbst vereinen eine Reihe von Bereichen – implantierbare Materialien, sicherheitskritische Software, Internet der Dinge und tragbare medizinische Geräte, um nur einige zu nennen – die noch nicht standardisiert sind. Es gibt keine Prädikatgeräte.

„Das sind neue Gerätekategorien“, sagte Mermel von Precision Neuroscience. „Bis es also ein Gerät gibt, das von der FDA für den Markt zugelassen wird, ist es eine offene Frage, welche Art von Beweisen man vorlegen muss, um nachzuweisen, dass der Nutzen eines Geräts das Risiko überwiegt.“

Wenn Gehirn-Computer-Schnittstellen in die medizinische Praxis gelangen, wer wird sie dann bezahlen? Oder für die Verfahren? Und was ist mit den Nachuntersuchungen der Gesundheitschecks, der laufenden Wartung und den Upgrades, die die Technologie im Laufe der Zeit unterstützen?

Die Frage, ob Gesundheits- und Versicherungsgesellschaften, staatliche Subventionen oder Patienten aus eigener Tasche dafür aufkommen, wird maßgeblich darüber entscheiden, wie zugänglich die Geräte für die Öffentlichkeit sind und wer aufgrund ihres sozioökonomischen Status für eine technologiegestützte Lebensqualität qualifiziert ist .

„Es ist wichtig, die Bedürfnisse und Perspektiven der Endnutzer zu priorisieren, insbesondere der am stärksten gefährdeten Personen wie Menschen mit Behinderungen, und die möglichen ethischen Auswirkungen dieser Technologien zu berücksichtigen“, sagte Alcaide. „Wir müssen sicherstellen, dass diese Technologien soziale Vorurteile nicht aufrechterhalten oder bestehende Ungleichheiten weiter verschärfen.“