Schnittstelle zwischen Gehirn und Elektronik

Die Möglichkeiten des Brain-Computer-Interface

Um mit einer Maschine zu kommunizieren, ist üblicherweise Muskelkraft erforderlich. Doch die Vorstellung, allein durch die Kraft der Gedanken eine Maschine steuern zu können, gehört längst nicht mehr ausschließlich ins Reich der Science-Fiction oder Magie. Denn bereits seit einigen Jahren ist es möglich, mithilfe einer direkten Schnittstelle zwischen Gehirn und Computer, einem sogenannten Brain-Computer-Interface (BCI), Befehle unmittelbar vom Kopf eines Menschen auf ein Gerät zu übertragen. Vor allem für Menschen, die aufgrund von neuronalen Schädigungen in ihrer Beweglichkeit eingeschränkt sind, eröffnen sich dadurch neue Perspektiven, um ihre Lebensqualität zu verbessern.

Um ein Brain-Computer-Interface herzustellen, sind im Wesentlichen drei Teile erforderlich: 

• ein EEG-Gerät, das die schwachen Signale registriert, die von der elektrischen Aktivität der Nervenzellen im Gehirn ausgehen
• ein Computer, der diese Signale auswertet und in Kommandos übersetzt
• ein Gerät, das mit diesen Kommandosignalen gesteuert werden soll, z. B. ein Computerprogramm, ein Rollstuhl oder eine Fernbedienung
• Damit der Benutzer eine Rückmeldung darüber erhält, auf welche Weise der Computer die eingehenden Sig-nale umsetzt, wird oft ein weiteres Gerät verwendet. 

Um genauer herauszufinden, was im Gehirn eines Menschen vor sich geht, reichen die Daten, die durch ein EEG ermittelt werden, allerdings nicht aus, da sie viel zu grob für eine feine Kontrolle sind. Zu diesem Zweck benötigt man hauchdünne Messfühler, die in Form von Mikroelektroden in Gehirnareale implantiert werden, die für Bewegungssteuerung und Sinneswahrnehmung zuständig sind. Auf diese Weise lässt sich die Qualität der Signale um ein Vielfaches erhöhen. Allerdings scheuen die meisten Patienten vor einem solchen Eingriff zurück.

Eine Eins-zu-Eins-Übertragung ist nicht möglich

Forscher der Technischen Universität Graz wiesen bereits 2016 in einem Gespräch mit „Spektrum der Wissenschaft” darauf hin, dass der Informationsaustausch zwischen Gehirn und Computer wesentlich komplizierter ist, als dies auf den ersten Blick erscheinen mag. Es reiche nicht aus, sich irgendeinen Satz vorzustellen, um den Computer zu veranlassen, diesen in eine E-Mail hineinzuschreiben. Dazu sei die notwendige Feinabstimmung viel zu mangelhaft. Man müsse sich das etwa so vorstellen, als hätte man es mit einem Rundfunksender zu tun, der schlecht eingestellt ist und stark rauscht. Damit die relevanten Informationen in diesem Rauschen ausfindig gemacht werden können, muss der Nutzer mithilfe seiner Gehirnaktivität Signale erzeugen, die so eindeutig sind, dass der Computer sie genau identifizieren kann. Will er z. B. ein „Ja“ mitteilen, kann er sich vorstellen, die rechte Hand zu einer Faust zu ballen, während er, um ein „Nein“ auszudrücken, den linken Fuß in Gedanken hebt und senkt. Da Hände und Füße in unterschiedlichen Bereichen des Gehirns repräsentiert werden, lassen sich auf diese Weise deutlich unterscheidbare Muster produzieren. Vereinfachen lässt sich der Prozess der Übertragung, indem der Nutzer seine Befehle nicht etwa dadurch formuliert, dass er Buchstaben an Buchstaben reiht, sondern stattdessen auf einen Bildschirm schaut, auf dem verschiedene Befehle aufleuchten. Sobald ein Befehl erscheint, den er auswählen möchte, muss er lediglich das zuvor vereinbarte Ja-Kommando denken. 

Eine ganz neue Perspektive bietet das Brain-Computer-Interface auch für Menschen, die unter einem Locked-in-Syndrom leiden, also zwar bei Bewusstsein, aber vollständig gelähmt sind. Forschern ist es inzwischen gelungen, eine spezielle Kopfhaube herzustellen, mit deren Hilfe die Patienten in der Lage sind, mit der Außenwelt zu kommunizieren. Auf diese Weise konnte man Betroffenen Fragen stellen, die sie über die Kraft ihrer Gedanken mit Ja oder Nein beantworteten. 

Unterbrochene Nervenverbindungen werden überbrückt

Im Rahmen des vor Kurzem gestarteten, von der EU geförderten Projekts „MoreGrasp“ entwickeln die Grazer Forscher eine besondere Art von Bypass. Dieser soll Menschen zugutekommen, die nach einem Unfall gelähmt sind, weil Nerven ihres Rückenmarks durchtrennt wurden. Auch wenn das Gehirn weiterhin versucht, Signale an die Gliedmaßen zu senden, die der Betroffene bewegen möchte, kommen die Befehle nicht mehr an ihrem Bestimmungsort an. Mithilfe einer Gehirn-Computer-Schnittstelle wird nun die Stelle, an der der Nerv durchtrennt wurde, überbrückt. Dabei ermittelt ein Computer anhand der EEG-Signale, welche Bewegung der Benutzer plant. Daraufhin werden entsprechende elektrische Impulse an den gelähmten Arm oder das Bein gesandt. Die so ausgelöste Stimulation führt dazu, dass sich die Muskeln wie gewünscht zusammenziehen. Auf diese Weise soll es Gelähmten ermöglicht werden, einfache Bewegungen auszuführen, sodass sie z. B. wieder in der Lage sind, nach einem Glas oder einem Löffel zu greifen. 

Einsatz bei Schlaganfallpatienten

Ein weiteres Einsatzgebiet für Gehirn-Computer-Schnittstellen ist die Rehabilitation von Schlaganfallpatienten. Um die Selbstheilungskräfte ihres Gehirns zu fördern, werden gestörte neuronale Verbindungen durch neue ersetzt. Dies kann z. B. dadurch geschehen, dass die Hirnsignale eines Patienten, der seine Hand aufgrund eines Hirninfarkts nicht mehr bewegen kann, dazu verwendet werden, eine künstliche Hand zu bewegen. Auf diese Weise wird ihm vorgespielt, er habe die Bewegung erfolgreich ausgeführt. Das Gehirn soll dadurch motiviert werden, den Regelkreis, der durch den Schlaganfall unterbrochen wurde, erneut zu schließen.

Künstliche Hände, mit denen man greifen kann

Auch für Menschen, die eine Arm- oder Beinprothese tragen, eröffnen sich durch Gehirn-Computer-Schnittstellen neue Perspektiven. Die Patienten sollen in die Lage versetzt werden, ihre Prothesen, welche zahlreiche Funktionen natürlicher Gliedmaßen erfüllen, kraft ihrer Gedanken zu kontrollieren. Bereits vor einiger Zeit wurde von der Forschungsabteilung der US-Armee ein System entwickelt, das an zwei Patienten vorgeführt wurde, die dank einer dem Arm eines Roboters ähnelnden Prothese in der Lage waren, ein Glas zu ergreifen und daraus zu trinken, eine Faust zu ballen und einem anderen Menschen die Hand zu schütteln. Es ist zudem möglich, die künstlichen Hände mit Sensoren zu versehen, die dem Träger ein Gefühl für den neuen „Körperteil“ vermitteln. Diese Sensibilität kann unter Umständen so weit reichen, dass sie spüren, an welchem Finger ihre künst-liche Hand berührt wird.

Wohin soll der Fortschritt führen?

Die Möglichkeiten, welche die Gehirn-Computer-Schnittstellen eröffnen, um die Grenzen unseres Körpers zu erweitern und Menschen mit Behinderungen eine verbesserte Kontrolle ihrer Körperfunktionen zu verschaffen, sind äußerst vielversprechend. Aber es stellt sich zugleich die grundsätzliche Frage, wie weit man den technischen Fortschritt vorantreiben möchte und welche Veränderungen man grundsätzlich anstrebt: Will man durch die technische Vermittlung fehlende oder gestörte Funktionen, die normalerweise vorhanden sind, lediglich ersetzen oder wird eine Funktion ergänzt, über welche die menschliche Gattung üblicherweise gar nicht verfügt? Auf jeden Fall dürfte es in der Zukunft reichlich Stoff für Debatten geben.

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BCI – Eine Option auch für Gesunde?

Inzwischen wollen auch immer mehr Gesunde die Möglichkeiten des BCI nutzen, um ein Feedback über ihre Gehirnaktivität zu erhalten. So kann man mithilfe von Headsets mit EEG-Elektroden an Stirn, Hinterkopf und Ohrläppchen die Konzentrations- und Entspannungsfähigkeit verbessern. Auch für die Optimierung von Lernsoftware leistet die Erfassung von Hirnzuständen einen wichtigen Beitrag. Ließe sich ein Lernprogramm an die Aufnahme-fähigkeit des Gehirns anpassen, so könnte es idealerweise immer genau so viel Stoff oder Übungen zur Entspannung anbieten, dass der Schüler weder unter- noch überfordert wird. Darüber hinaus wittern auch kommerzielle Interessenten Morgenluft. So lässt sich mit BCIs beobachten, was im Gehirn passiert, wenn man sich z. B. durch Shoppingseiten klickt. Kein Wunder, dass die Marktforschung dieses Instrument gern aufgreift. 

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BCI und Militär

Militärische Forschungsstellen haben bereits seit Längerem ein Auge auf das BCI geworfen. Bereits im Jahre 2012 warnte die britische Royal Society davor, dass in nicht zu ferner Zukunft Drohnen oder andere Waffensysteme mit Gedanken gesteuert werden könnten. Was bislang noch wie Science-Fiction aus einem Hollywood-Film klingen mag, ist vielleicht näher an der Realität, als mancher sich ausmalen möchte. So hat die US-Army im Sommer 2008 vier Millionen Dollar ausgelobt, um die „synthetische Telepathie“ zu erforschen. Dabei stand das Ziel im Vordergrund, Soldaten auf dem Schlachtfeld per BCI quasi direkt von Gehirn zu Gehirn kommunizieren zu lassen. Im selben Jahr haben die US-Streitkräfte ein Projekt unterstützt, das sich der Entzifferung von Gedanken im menschlichen Gehirn widmet.

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von Klaus Bingler aus ORTHOpress 1/18