Gehirn-Computer-Schnittstellen entwickeln sich, um Menschen mit Lähmung zu helfen

Alle deine Bewegungen beginnen in deinem Gehirn.

Als Sie sich entschieden haben, diesen Artikel zu lesen, wollten Sie Ihren Finger oder Ihren Cursor zu einer bestimmten Stelle auf Ihrem Bildschirm bewegen. Ohne es zu bemerken, dachten Sie daran, auf diese Stelle zu drücken oder zu klicken. Nachdem Sie das schnell verarbeitet hattendachte, dein Gehirn hat deinen Muskeln gesagt, dass sie entsprechend darauf reagieren sollen, und hier bist du.

Aber die Muskeln von Menschen mit Lähmungen reagieren nicht auf diese Gehirnsignale. Das Gehirn kann die Signale möglicherweise nicht senden, das Rückenmark kann sie nicht an die Nerven weiterleiten oder die Nerven reagieren möglicherweise nicht darauf. Dies kannauf angeborene oder erworbene Schäden in einem dieser Teile des Nervensystems zurückzuführen sein.

Wenn der Schaden dauerhaft ist, ist es auch eine Lähmung. In diesen Fällen ist eine Anpassung unerlässlich, um das Leben der Patienten zu verbessern. Aus diesem Grund arbeiten viele Wissenschaftler an neuen unterstützenden Technologien.

Brain-Computer-Interfaces BCI sind eine der vielversprechendsten Innovationen in diesem Bereich. Durch Elektroden können BCIs Gehirnsignale lesen und in Befehle für ein Ausgabegerät umwandeln, das die Absicht des Benutzers ausführen kann. Auf diese Weise können sich Menschen mit eingeschränkten motorischen Funktionen bewegen Roboterprothesen oder Computer mit ihrem Verstand benutzen.

Wie funktionieren Gehirn-Computer-Schnittstellen?

Das Gehirn verwendet spezialisierte Zellen, die Neuronen genannt werden, um Nachrichten zu übertragen. Wenn wir denken, werden kleine elektrische Signale von Neuron zu Neuron übertragen. Diese Signale werden durch Unterschiede im elektrischen Potenzial erzeugt, die von Ionen auf der Membran jedes Neurons getragen werden. Diese Signale können seinmit Elektroden oder einem Gerät namens Elektroenzephalograph EEG erkannt. Diese Geräte messen die winzigen Spannungsunterschiede zwischen Neuronen. Diese Unterschiede werden dann von einem Computeralgorithmus interpretiert und können verwendet werden, um Computer oder Prothesen zu steuern.

Es gibt verschiedene Methoden, um elektrische Signale vom Gehirn zu sammeln und an Computer zu übertragen. Diese Methoden umfassen:

• Nicht-invasiv. Die Elektroden von BCI messen die Gehirnaktivität durch die Kopfhaut. Eine Operation ist nicht erforderlich und das Gerät ist mit bloßem Auge sichtbar.
• Semi-invasiv. Die Elektroden von BCI werden mittels Kraniotomie an der exponierten Oberfläche des Gehirns, wie der Dura mater oder der Arachnoidea, angebracht.
• Invasiv. Die Elektroden von BCI werden chirurgisch in die Hirnrinde implantiert. Dies sind die effektivsten Geräte, da sie die hochwertigsten Signale erzeugen, aber sie erhöhen das Risiko von Narbengewebeansammlungen um die Elektroden herum.

Spezifische Techniken zur Herstellung der Kommunikation zwischen Gehirn und Maschine werden von verschiedenen Neuro-Engineering-Firmen erforscht.

drahtlose BCI-Systeme

Alles wird heutzutage drahtlos. Wir habendrahtlose Internetverbindungen, kabellose Kopfhörer, kabellose Tastaturen. Warum also nicht auch praktische, kabellose BCI-Systeme?

Neuralink, eines der bekanntesten Neuro-Engineering-Unternehmen, hat sich zum Ziel gesetzt, ein BCI zu entwickeln, das Gehirn und Computer über Bluetooth verbindet. Im August 2020, Neuralink-CEO Elon Musk führte eine öffentliche Demonstration von Link VO.9 durch, ein implantierbarer, münzgroßer Chip mit 1024 Elektroden, der die neuronale Aktivität mit Hilfe von mikroskopischen Fäden registriert.

Der Chip wurde mit hochpräziser Roboterchirurgie in das Gehirn eines Schweins eingeführt. In der Demonstration war er in der Lage, Bewegungen vorherzusagen und Temperatur und Hirndruck in Echtzeit zu messen – etwas, das laut Musk helfen könnte, Schlaganfälle oder Herzinfarkte vorherzusagen.

Laut seiner Website, Neuralinks Hauptaufgabe besteht darin, Menschen mit Rückenmarksverletzungen und neurologischen Störungen zu helfen, indem die Aktivität von Tausenden von Neuronen im Gehirn aufgezeichnet wird. Der Link soll diese Informationen empfangen und entschlüsseln und sie dann an den Computer der Benutzer sendenermöglichen es ihnen, virtuelle Mäuse, Tastaturen und sogar Gamecontroller zu steuern. Wie gut das funktioniert, hängt alles von der Verbesserung der Dekodierungsalgorithmen ab.

BrainGate, ein weiteres Neurotechnologieunternehmen in den USA, testete kürzlich einen intrakortikalen BCI mit hoher Bandbreite an Menschen, der Gehirnsignale über externe drahtlose Sender anstelle von Kabeln liefert.

Die Sender wurden auf dem Kopf des Benutzers platziert und über denselben Port, der von kabelgebundenen Geräten verwendet wird, mit Sensoren im Gehirn verbunden. Unter Verwendung der gleichen Decodierungsalgorithmen wie kabelgebundene BCIs schnitt das kabellose Gerät in den klinischen Studien genauso gut wie das kabelgebundeneBCIs, die High-Fidelity-Signale und eine ähnliche Genauigkeit bei der Kontrolle des Patienten über den Computer liefern.

In klinischen Studien wurden zwei Personen mit Rückenmarksverletzungen über das BCI von BrainGate mit einem Standard-Tablet-Computer verbunden. Die Forscher bewerteten ihre Point-and-Click-Präzision und Tippgeschwindigkeit. Da sie nicht durch Kabel eingeschränkt waren, fanden es die Patienten einfacherBCI von BrainGate für längere Zeit zu verwenden.

"Wir möchten verstehen, wie sich neuronale Signale im Laufe der Zeit entwickeln", sagte Leigh Hochberg, Ingenieursprofessor an der Brown University, der die klinische Studie BrainGate leitete. "Mit diesem System sind wir in der Lage, die Gehirnaktivität zu Hause zu untersuchen,über lange Zeiträume in bisher kaum möglicher Art und Weise. Dies wird uns helfen, Entschlüsselungsalgorithmen zu entwickeln, die eine nahtlose, intuitive und zuverlässige Wiederherstellung von Kommunikation und Mobilität für gelähmte Menschen ermöglichen.“

Stent-Elektroden-Aufzeichnungs-Array

Auch bekannt als Stentrode, wurde dieses Gerät von einem Team der University of Melbourne entwickelt. Es besteht aus ein Elektrodenarray, das auf einem winzigen Stent montiert ist. Wie ein normaler intrakranieller Stent wird das Gerät mit einem Katheter in ein Blutgefäß im Gehirn implantiert.

Der Hauptvorteil dieser Methode besteht darin, dass die offene Gehirnoperation durch einen winzigen Schnitt am Hals ersetzt wird.

Im Jahr 2020, die Stentrode wurde erfolgreich an zwei Patienten getestet mit Motoneuron-Erkrankungen, die es geschafft haben zu kontrollierena computerbasiertes Betriebssystem über einen Eye-Tracker für die Cursornavigation. Auf diese Weise, Die Versuchsteilnehmer schafften es, Text, E-Mail und Online-Shopping nur mit ihrem Verstand zu verwenden.

Neurogen

Neurograins – wie von ihren Schöpfern an der Brown University genannt – sind neuronale Sensoren auf Siliziumbasis von der Größe eines Salzkorns. Diese Mikrochips zeichnen die elektrischen Impulse von Neuronen auf und, da sie über das Gehirn verteilt sind,können große Datenmengen an einen externen zentralen Hub übertragen.

Der Hauptvorteil dieses BCI-Systems besteht darin, dass es viele verschiedene Punkte im Gehirn abdeckt. „Bisher waren die meisten BCIs monolithische Geräte – ein bisschen wie kleine Nadelbetten. Die Idee unseres Teams war es, diesen Monolithen aufzuteilen inwinzige Sensoren, die über die Großhirnrinde verteilt werden könnten“, erklärt Arto Nurmikko, Professor an der Brown’s School of Engineering, der die Untersuchung leitet.

Der zentrale Hub ist ein auf der Kopfhaut platzierter Patch, der ein Netzwerkprotokoll verwendet, um die Signale individuell zu koordinieren jedes Neurograin hat seine eigene Netzwerkadresse. Es sendet auch eine winzige Menge Strom an die Neurograins, um sie drahtlos von außen mit Strom zu versorgenSchädel. Ähnliche elektrische Impulse können gesendet werden, um die neuronale Aktivität zu stimulieren. Forscher hoffen, dass dies Menschen mit Lähmung helfen kann, die Gehirnfunktion wiederzuerlangen, und auch Behandlung von Menschen mit Parkinson und Epilepsie.

Bisher wurden die Neurograins jedoch nur an Nagetieren getestet, deren kleine Gehirne nur 48 Körner benötigen – während menschliche Gehirne etwa 770 benötigen würden.

Andere Anwendungen von Gehirn-Computer-Schnittstellen

Obwohl die wichtigsten BCI-Studien medizinische Motivationen haben, deutscher Automobilhersteller Mercedes-Benz hat kürzlich eine Pressemitteilung veröffentlicht darüber ist einverleibtBCI-Technologien, die sein Konzeptfahrzeug Vision AVTR enthalten wird. Das ultimative Ziel der Automobilhersteller ist es, die Fahrzeugbedienung und die biometrische Interaktion zu vereinfachen, indem die Benutzeroberfläche über die Gehirnaktivität gesteuert wird.

Mit anderen Worten, Sie könnten beim Autofahren ein Headset tragen und das Radio und die Lichter einschalten – und eines Tages sogar das Auto fahren – mit Ihren Gedanken.

Andererseits hat Elon Musk erklärt, dass die Geräte von Neuralink in Zukunft auch von gesunden Menschen genutzt werden könnten. Wenn die BCI-Geräte lernen, mit anderen Hirnarealen zu kommunizieren, könnten sie neben der Medizin auch andere Anwendungen haben. Zum BeispielBCIs könnten für Augmented Intelligence verwendet werden, einen Unterabschnitt des maschinellen Lernens, der sich auf konzentriert.Verbesserung der menschlichen Kognition mit Hilfe von KI.

Alles in allem könnten BCIs schließlich zu einer Erweiterung unseres Geistes werden – ein neuronales Werkzeug, um die natürlichen Grenzen sensorischer, kognitiver und motorischer Aktivitäten zu überschreiten.