Gehirn-Maschine-Schnittstellen: Was sind sie und wie funktionieren sie?

Stellen Sie sich vor, Sie könnten allein mit Ihrem Verstand einen Roboter steuern oder ein Videospiel spielen. Es klingt nach Science-Fiction, aber genau dafür werden Brain-Machine-Interfaces (BMIs) bereits eingesetzt. Mit Anwendungen von Unterhaltung bis Medizin werden BMIs die Welt der Technologie, wie wir sie kennen, verändern. Aber was genau sind sie? Und wie funktionieren sie?

Dieser Artikel behandelt alles über Gehirn-Maschine-Schnittstellen, einschließlich aktueller Beispiele, wie sie funktionieren und wofür BMIs in Zukunft verwendet werden könnten.

Was ist eine Gehirn-Maschine-Schnittstelle?

Brain-Machine-Interfaces (BMIs), auch bekannt als Brain-Computer-Interfaces, sind Geräte, die Ihr Gehirn und ein externes Gerät verbinden. Sie können die menschliche Gehirnaktivität lesen und diese Informationen direkt an ein Computersystem übermitteln. Ein BMI könnte beispielsweise einem Patienten helfen, eine Roboterprothese zu steuern. Oder es könnte dem Benutzer ermöglichen, nur mit seinen Gedanken in ein Textverarbeitungsprogramm zu tippen.

BMIs können entweder invasiv oder nicht-invasiv sein. Ein invasiver BMI erfordert eine Operation und beinhaltet normalerweise das Platzieren von Elektroden direkt unter der Kopfhaut, um Gehirnsignale genauer zu kommunizieren. Andererseits werden nicht-invasive BMIs ohne Operation über dem Kopf platziert und messen die elektrische Aktivität Ihres Gehirns. Der Nachteil ist, dass ein Großteil dieser Aktivität durch den Schädel gedämpft wird, sodass nicht-invasive BMIs oft weniger stark sind.

Wie funktionieren Gehirn-Maschine-Schnittstellen?

Wenn wir denken, produziert unser Gehirn elektrische Signale, die durch Gehirnzellen (bekannt als Neuronen) gesendet werden. Diese elektrischen Signale können von medizinischen Geräten aufgenommen und interpretiert werden, und zwar seit Jahrzehnten zur Diagnose von Gehirnerkrankungen.

Die beiden Methoden dazu heißen Elektroenzephalographie (EEG) und Elektromyographie (EMG). EEG interpretiert elektrische Signale vom Gehirn, während EMG diese Signale von Muskeln interpretiert.

Um Zustände des Gehirns zu diagnostizieren, werden EEG- und EMG-Anzeigen mit "normaler" Gehirnaktivität verglichen, wobei Krankheitszustände bestimmte Muster in der elektrischen Aktivität des Gehirns erzeugen. Jetzt können wir jedoch noch weiter gehen.

Jüngste Fortschritte bedeuten, dass wir mehr Informationen aus der Aktivität des Gehirns gewinnen können, einschließlich emotionaler Zustände, welche Bewegungen oder Handlungen Sie ausführen werden und sogar bestimmte Gedanken.

Algorithmen des maschinellen Lernens können bestimmen, wie diese bestimmten Zustände "aussehen" (in Bezug auf ihre elektrische Aktivität). Diesen Algorithmen werden Schwaden von EEG- und EMG-Daten aus kontrollierten Experimenten gegeben und Muster der Gehirnaktivität werden entdeckt. Die Gehirnaktivität wird dann in Echtzeit überwacht und analysiert, um bestimmte mentale Zustände oder Aktionen zu bestimmen (z. B. „nach links bewegen“).

Aktuelle Beispiele für BMIs

Es gibt mehrere aktuelle Beispiele für BMIs, von denen sich viele stark voneinander unterscheiden. Weil das Potenzial von BMIs so groß ist, werden viele gleichzeitig in ganz unterschiedlichen Bereichen entwickelt. Einige BMIs werden hauptsächlich zu medizinischen Zwecken verwendet, um Menschen mit Behinderungen wieder das Gehen zu ermöglichen oder um Geräte ohne den Einsatz von Händen zu steuern. Andere sind für Spiele und Freizeitaktivitäten konzipiert.

Cochlea-Implantate

Cochlea-Implantate sind nicht das, was viele Leute in Betracht ziehen würden, wenn BMIs erwähnt werden, aber sie sind tatsächlich eine der ersten Technologien, die das Gehirn eines Benutzers mit einer Maschine verbanden. Sie funktionieren, indem sie den Gehörlosen oder Nahestehenden den Klangsinn zurückgeben. Das Implantat wird chirurgisch unter der Haut des Benutzers platziert, verwendet ein Mikrofon, um Umgebungsgeräusche aufzunehmen, dann verstärkt und überträgt den Schall über elektrische Impulse an das Gehirn des Benutzers.

Muse

Muse ist ein "sensierendes Stirnband", das emotionale Zustände des Trägers erkennen kann. Das Startup-Unternehmen hat Programme, die sich auf das Wohlbefinden der Mitarbeiter konzentrieren. Der Mitarbeiter trägt das Stirnband und kann sein Stressniveau und seine Produktivität basierend auf dem Feedback vom Stirnband steuern.

Drohnensteuerung

Bereits im Jahr 2015 entwickelten Forscher der University of Florida ein BMI-Stirnband, mit dem der Benutzer eine Drohne allein mit seinem Verstand steuern konnte.

Neurabel

Im Jahr 2017, Neurabel veröffentlichte ein Proof-of-Concept-Spiel, das ein BMI-kontrollierter Fluchtraum war. Die Spieler setzten ein VR-Headset auf und verließen den Raum nur mit ihren Gedanken. Neurable plant, Produkte zu entwickeln, die es Ihnen ermöglichen, Ihr Smartphone (zum Beispiel das Überspringen oder Anhalten von Songs) über Ihren Verstand zu steuern.

Elon Musks berühmtes Unternehmen Neuralink ist ein Beispiel für einen invasiven BMI. Mit chirurgisch implantierten "Fäden" zielt Neuralink darauf ab, das Gehirn über ultrahohe Bandbreiten mit einem Computer zu verbinden. Das ultimative Ziel von Neuralink ist es, Menschen dabei zu helfen, traditionelle künstliche Intelligenzsysteme zu übertreffen. Neuralink wurde bereits (berühmt) an einem Affenpatienten getestet, und der Affe konnte spiele Pong rein durch Denken.

Andere Beispiele für derzeit in der Entwicklung befindliche BMIs sind Kernel, NextMind, Neurosity und Nectome.

Wofür werden BMIs in Zukunft verwendet?

Eine Anwendung von BMIs besteht darin, dem Benutzer Feedback über seinen mentalen Zustand zu geben. Ein BMI könnte beispielsweise ein hohes Maß an Schläfrigkeit oder Unaufmerksamkeit erkennen und Warnungen in Umgebungen mit hohem Risiko, wie z. B. beim Autofahren oder beim Bedienen gefährlicher Maschinen, ausgeben. Ein BMI könnte auch verwendet werden, um Emotionen zu regulieren oder sogar Schmerzen zu lindern, was für das Militär mehrere Verwendungsmöglichkeiten hat.

BMIs haben auch Dutzende von Anwendungsmöglichkeiten in der Medizin. Sie könnten beispielsweise bei Amputierten eingesetzt werden, um fortschrittliche Prothesen zu kontrollieren oder neurologische Erkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson zu behandeln.

Im Verbraucherbereich könnten BMIs für unzählige Dinge verwendet werden. Nutzer könnten ihr Smart Home mit ihren Gedanken steuern, Lichter ein- und ausschalten, Kanäle wechseln oder sogar Playlists basierend auf ihrer Stimmung automatisch generieren lassen. Zweifellos wird es einen riesigen Raum für BMIs in der virtuellen Realität und anderen Spielen geben, bei denen die Verwendung von Controllern eine der letzten Hindernisse für das vollständige Eintauchen darstellt.

BMIs: Gedankenkontrolle

Gehirn-Maschine-Schnittstellen wird es in Zukunft zweifellos geben, mehr oder weniger genau so, wie sie in Science-Fiction-Filmen dargestellt werden. Tatsächlich sind bereits viele im Handel erhältlich, die über Fähigkeiten verfügen, die das menschliche Gehirn weit erweitern können. Eines Tages werden Sie keine Tasten mehr drücken oder Befehle eingeben müssen. Sie können Ihr Haus betreten, das Licht ein- und ausschalten und Spiele in der virtuellen Realität spielen, ohne Ihre Hände zu benutzen.

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