Die Revolution der Gehirn-Computer-Schnittstelle steht gerade erst am Anfang

Ganz gleich, ob es darum geht, sich in die Matrix einzuschleichen oder in „Avatar“ ein Na'avi zu werden, Gehirne mit Computern zu verbinden, ist ein Science-Fiction-Thema, von dem ich nie gedacht hätte, dass es jemals Wirklichkeit wird. Aber zunehmend sind BCIs (Gehirn-Computer-Schnittstellen) zu einem ernsthaften Forschungsgebiet in Forschungslabors geworden und entwickeln sich schnell von Forschungslabors zu echten Versuchen am Menschen – vielleicht am bekanntesten durch das Unternehmen Neuralink von Elon Musk.

Während dies Menschen mit Behinderungen ein größeres Maß an Freiheit und Kontrolle sowie potenzielle Anwendungen im Glücksspiel- und Gesundheitswesen verspricht, bleiben erhebliche technische, ethische und regulatorische Herausforderungen bestehen. Aber je mehr ich mich mit dem Thema beschäftigte, desto mehr entdeckte ich, dass Führungspersönlichkeiten und Forscher die Gelegenheit nutzten, uns verantwortungsvoll in die Zukunft dieser bahnbrechenden Technologie zu führen.

Was ist eine Gehirn-Computer-Schnittstelle?

Fangen wir am Anfang an. Kurz gesagt: BCIs sind Geräte, die die Lücke zwischen den analogen elektrischen Signalen Ihres Gehirns und externen digitalen Maschinen schließen, also im Wesentlichen übersetzen.

„BCI umgeht die herkömmlichen Kommunikationskanäle für verschiedene Aufgaben (z. B. Sehen, Bewegung und Sprache) und verknüpft die elektrische Aktivität des Gehirns mit der Außenwelt, um die menschlichen Fähigkeiten bei der Interaktion mit der physischen Umgebung zu verbessern“, heißt es in einer Studie aus dem Jahr 2023 der Zeitschrift Brain Inform liest. „BCI bietet einen nichtmuskulären Kommunikationskanal und erleichtert die Erfassung, Manipulation, Analyse und Übersetzung von Gehirnsignalen zur Steuerung externer Geräte oder Anwendungen.“

Die frühe BCI-Entwicklung begann tatsächlich bereits in den 1920er Jahren mit der Einführung des Elektroenzephalogramms (EEG), einem Test, bei dem Elektroden verwendet werden, um die elektrische Aktivität im Gehirn zu verstärken und anschließend zu messen. Moderne BCIs entwickelten sich jedoch in den 1970er Jahren durch die Arbeit von Dr. Jacques Vidal von der UCLA mit finanzieller Unterstützung der National Science Foundation und der DARPA. Er war auch der erste Forscher, der den Begriff „Gehirn-Computer-Schnittstelle“ prägte.

Im Laufe des letzten halben Jahrhunderts fanden BCIs klinische Anwendung in einer Vielzahl von Anwendungen, von der Kartierung der inneren Funktionsweise des Gehirns bis hin zur Verbesserung der menschlichen Wahrnehmung und motorischen Fähigkeiten. BCIs werden sogar zur Wiederherstellung der körperlichen Mobilität bei Patienten eingesetzt, die an Verletzungen und Krankheiten wie ALS oder Hirnstammschlaganfall leiden, oder bei Menschen, die „eingesperrt“ sind – kognitiv intakt, aber ohne nützliche Muskelfunktion.

Das Potenzial ist unglaublich spannend, aber wie Sie sich wahrscheinlich vorstellen können, gibt es einige scheinbar unüberwindbare Herausforderungen, denen sich die Forscher dieser Technologie frontal stellen müssen.

Nicht-invasive BCIs

Man könnte annehmen, dass alle modernen Gehirn-Computer-Schnittstellen eine Gehirnoperation erfordern, aber die Technologie kommt tatsächlich in vielen Formen vor, je nachdem, wie nah das Gerät an der grauen Substanz des Benutzers angebracht ist. Es gibt völlig nicht-invasive Arten, mit denen wir alle vertraut sind, wie zum Beispiel EEGs und MRTs, die lediglich die Gehirnaktivität überwachen und aufzeichnen. Dann gibt es noch die sogenannten „teilinvasiven“ endovaskulären EEGs , bei denen ein Katheter verwendet wird, um Elektroden in das Gehirn einzuführen, ohne dass eine Operation am offenen Gehirn erforderlich ist.

Nicht-invasive BCIs nehmen die elektrischen Impulse des Gehirns über den Schädel und die Kopfhaut des Patienten auf und leiten sie direkt an das externe Gerät weiter. Das klingt zwar verlockend, da keine Gehirnoperation erforderlich ist, die Technologie birgt jedoch zahlreiche Herausforderungen.

Eines der größten Probleme bei äußerlich getragenen BCIs ist beispielsweise ihr niedriges Signal-Rausch-Verhältnis. Das bedeutet, dass die aufgenommenen elektrischen Impulse oft durch Störungen von Schädel und Kopfhaut verwechselt werden, was es schwierig macht, Gehirnsignale genau zu entschlüsseln. Die Dekodierung dieser Signale wird durch die komplizierten neuronalen Muster des Gehirns zusätzlich erschwert, für deren zuverlässige Interpretation hochentwickelte Algorithmen und erhebliche Rechenressourcen erforderlich sind.

Ich habe mit Dr. Jane Huggins, der Direktorin des Direct Brain Interface Laboratory der University of Michigan , gesprochen, um die Herausforderungen, die BCIs heute mit sich bringen, besser zu verstehen.

„Lassen Sie uns eine Liste der Dinge erstellen, die Ihre Gehirnaktivität beeinflussen … nun, vielleicht erstellen wir eine Liste der Dinge, die dies nicht tun, denn das wird eine kürzere Liste sein“, witzelte Huggins. „Alles, von dem, was der Patient gerade sieht, über die Lichtmenge im Raum, was er gerade zu Mittag gegessen hat, bis hin zu seinem emotionalen Zustand, alles kann die Amplitude der Signale und die Komplexität des Geschehens beeinflussen. Es ist schwer, die Stücke auszuwählen, die man braucht.“

In Bezug auf Komfort und Benutzerfreundlichkeit kann das Tragen nicht-invasiver BCIs aufgrund der sperrigen Elektroden und Headsets über längere Zeiträume unangenehm sein.

Aus diesem Grund ist die Idee invasiver Gehirnimplantate zur Zukunft dieser Technologie geworden, eine Zukunft, die im Jahr 2024 wie nie zuvor in die Gegenwart eindringt.

Direkter Zugang zum Gehirn

Implantierbare BCIs nehmen die Impulse direkt von der Gehirnmasse auf, auf der der Chip sitzt, und übersetzen sie in Befehle. Anschließend leitet es diese Befehlssignale drahtlos an ein externes Gerät weiter, das sie ausführt.

Dr. Huggins argumentiert, dass manche Menschen zwar immer Bedenken haben werden, wenn es darum geht, sich ein Gerät ins Gehirn zu implantieren, es aber auf lange Sicht die bequemste Option ist.

„Menschen neigen dazu, implantierte BCIs als ‚invasiv‘ zu bezeichnen“, erzählte sie mir. „Die Implantation eines BCI erfordert natürlich einen chirurgischen Eingriff, und dieser kann eine ziemlich dramatische Operation sein.“ Andererseits vergleicht Huggins es mit ihrer eigenen künstlichen Hüftoperation, die sie sich vor ein paar Jahren unterzogen hat. Invasive Operation? Ja. Aber im täglichen Leben können sie völlig vergessen werden.

Einerseits erfordern implantierte BCIs nicht die 10 bis 20-minütige Einrichtung, die für den täglichen Betrieb erforderlich ist. Sie müssen im Gegensatz zu externen BCIs auch nicht aufgeladen und gereinigt werden. Huggins ging davon aus, dass zukünftige BCI-Geräte die Vorteile sowohl äußerlich getragener als auch implantierter BCIs bieten könnten, ähnlich wie heutige Cochlea-Implantate.

„Wenn man diese EEG-Elektroden unter die Kopfhaut implantieren könnte, müsste man sie nicht jeden Tag an- und ausziehen, und sie wären unsichtbar.“

Darüber hinaus gibt es die Grundlagen der Technologie schon länger, als Sie vielleicht annehmen. Es ist Jahrzehnte her, seit die ersten Neuroprothesen beim Menschen eingesetzt wurden, und das Gebiet wächst weiterhin rasant.

Das führt uns dorthin, wo wir heute sind: Die ersten Patienten erhalten diese implantierten Chips. Nach einer sechsjährigen Studie und der Erlangung der FDA-Zulassung im Jahr 2023 startete Neuralink die klinische Studie für seinen ersten implantierbaren Chip und schloss die Operation am ersten Patienten im Januar 2024 ab.

In nur wenigen Monaten hatte Neuralink ein Update veröffentlicht, das zeigte, wie der Patient einen Laptop steuerte, um online nur mit seinem Gehirn zu spielen, was er mit der „Anwendung der Macht auf den Cursor“ verglich.

Mittlerweile hat die BCI-Studie von Neuralink einen zweiten Patienten gefunden, während der erste vom Schachspielen zum Spielen von Civilization VI übergegangen ist.

Neuralink steht aufgrund seines prominenten Gründers im Rampenlicht, ist aber bei weitem nicht der Einzige. Synchron, ein Unternehmen aus Brooklyn New York, das ein Gerät entwickelt, das sicher in die Blutgefäße des Gehirns implantiert werden kann, begann letztes Jahr mit seiner klinischen Studie mit sechs Patienten . BrainGate, ein Forschungsteam aus Universitäten in den USA, implantierte 2021 das weltweit erste drahtlose BCI mit hoher Bandbreite. Blackrock Neurotech hingegen hat seinen Hauptsitz in Salt Lake City, Utah, und hat damit Versuche am Menschen durchgeführt Utah führt BCI seit mehr als zwei Jahrzehnten an, ohne dass in dieser Zeit von der FDA „schwerwiegende unerwünschte Ereignisse“ gemeldet wurden.

Bei diesen Anwendungen ermöglichen die Geräte den Benutzern, beschädigte und nicht reagierende Gliedmaßen effektiv zu umgehen, um externe Geräte direkt mit ihren Gedanken zu steuern und Aktivitäten auszuführen, ohne auf gesunde Menschen angewiesen zu sein , was ihre Lebensqualität erheblich verbessert. Die Technologie hat bereits eine Reihe von Forschungsbereichen revolutioniert, darunter Unterhaltung und Gaming , industrielle Automatisierung , Bildung und Neuromarketing .

Anhaltende Herausforderungen

Während implantierte BCIs die Zukunft des Fachgebiets zu sein scheinen, bringen sie sicherlich ihre eigenen Herausforderungen mit sich. Selbst bei implantierten BCIs, die eine höhere Signalqualität bieten, bleibt die Langzeitstabilität beispielsweise ein Problem. Diese Geräte können sich im Laufe der Zeit aufgrund biologischer Gewebereaktionen oder mechanischer Ausfälle verschlechtern, was ihre Verwendbarkeit und Lebensdauer für kontinuierliche Anwendungen einschränkt.

Das implantierte BCI überwindet auch nicht die Hürde aller erforderlichen Schulungen und Kalibrierungen, was eine erhebliche Herausforderung für die BCI-Technologie darstellt. Um eine effektive Kontrolle über diese Geräte zu erlangen, benötigen Benutzer oft umfangreiche Übung, was den Prozess sowohl zeitaufwändig als auch manchmal frustrierend macht, wie Dr. Huggins erklärte.

Neuralink entwickelt derzeit eine App, die diesen Prozess unterstützen soll und Patienten dabei hilft, ihren Geist zu trainieren, digitale Geräte besser zu steuern, was bereits an Affen getestet wurde.

Über den Komfort und die Kosten hinaus stellen die ethischen und datenschutzrechtlichen Konsequenzen der Technologie erhebliche Herausforderungen für die weitere Entwicklung von BCI dar. Die von BCIs generierten Daten – unsere Emotionen, Absichten und Gedanken – sind an sich persönlich und erhöhen das Risiko, dass solche Daten unbeabsichtigt gesammelt und missbraucht werden.

Die Einführung von BCIs führt auch zu Problemen in Bezug auf Autonomie, Einwilligung und Zugänglichkeit. Was kann verhindern, dass jemand gezwungen wird, ein BCI gegen seinen Willen zu verwenden oder ohne die Konsequenzen vollständig zu verstehen?

„Ich kann mir nichts Beängstigenderes vorstellen, als wenn jemand für Sie entscheidet, dass Sie ein implantiertes BCI wünschen, und es Ihnen gibt“, sagte Huggins. „Und man darf keine Fragen zum Geschehen stellen oder seine Meinung äußern.“

Das Gleiche gilt für den Einsatz von KI und maschinellen Lernsystemen zur Unterstützung von BCI-Patienten. „Wir können viele [Funktionen] von künstlicher Intelligenz und BCIs kombinieren, aber das wirft die gleichen Fragen auf wie bei jeder Art von Teilen und Kontrolle: Wer entscheidet? Was wird gesagt?“

„Und das bringt uns zurück zu den ethischen Fragen, über die wir vorhin über die Selbstbestimmung gesprochen haben. Wenn Sie jemanden haben, dessen Fähigkeiten sich verschlechtern [z. B. ALS-Patienten], gibt es ein Gleichgewicht? Wird sich dieses Gleichgewicht im Laufe der Zeit ändern? Oder werde ich einfach aufgeben und anfangen, die KI meine Sätze automatisch vervollständigen zu lassen?“

Dies sind ernste Sorgen für die Zukunft, auch wenn wir noch weit davon entfernt sind, uns ihnen wirklich stellen zu müssen.

„Das schaffe ich nur mit einer Genauigkeit von 90 %, an einem guten Tag sogar mit 95 %. An einem schlechten Tag können Sie an einem schlechten Tag so tief wie möglich gehen. Aber das ist jemand, der aktiv und freiwillig versucht, eine Botschaft zu vermitteln.“

Huggins weist darauf hin, eine der größten Herausforderungen für die Zukunft von BCI zu beseitigen: Angst und Missverständnisse.

„Es macht vielen Menschen Angst“, räumte Huggins ein. „Ich wurde einmal von jemandem gefragt, ob die Regierung ihre Gedanken von Satelliten lesen könne. Und ich dachte mir: „Wissen Sie, ich habe Schwierigkeiten, die richtige Antwort zu finden, wenn in meinem Labor jemand sitzt, der mir erlaubt, dieses Headset aufzusetzen, und der aktiv versucht, auf eine Taste auf der Tastatur zu achten.“ Machen Sie sich keine Sorgen, dass Leute Ihre Gedanken von Satelliten lesen.“

Wir blicken in eine bessere BCI-Zukunft

Sicherlich stehen BCI-Forscher vor erheblichen Herausforderungen, wenn sie diese revolutionäre Technologie der breiten Öffentlichkeit zugänglich machen, vielleicht nicht mehr als mit der Bewältigung der Erwartungen. Huggins weist darauf hin, dass ihre Kollegen, die an implantierten Forschungsstudien arbeiten, einen sehr strengen Prozess durchlaufen, um sicherzustellen, dass die Teilnehmer dieser Studien den Plan verstehen und ein realistisches Verständnis der Vorteile und Risiken haben.

Dieselben Höflichkeiten werden selten an die breite Öffentlichkeit weitergegeben, die mit fantastischen Versprechungen telepathischer Kommunikation , perfekter Erinnerung und Erinnerung und sogar einer Verschmelzung von menschlichem und robotischem Geist bombardiert wird.

Was die Richtung von BCI in unserem Leben angeht, räumte Huggins ein, dass eine Senkung der Erwartungen notwendig sei, um wirkliche Fortschritte zu sehen.

„Ich denke, dass es Dinge geben wird, aber ich glaube nicht, dass es dem ganzen Hype gerecht wird. Es wird die Erwartungen verändern. Man muss realistische Erwartungen haben und verstehen, dass es sich um eine neue Technologie handelt. Wir lernen immer noch, wie es funktioniert, warum es funktioniert, wann es funktioniert, wann es nicht funktioniert, welche Art von Unterstützung es braucht und an wie vielen Orten es bereitgestellt werden kann.“

Also nein, wir werden in absehbarer Zeit wahrscheinlich keine „Whoa, ich kenne Kung Fu“-Momente erleben. Das heißt aber nicht, dass die nächste Generation dies nicht tun wird. Wir haben vielleicht noch einen langen Weg vor uns, aber der Grundstein für diese zukünftigen Erfahrungen wird heute gelegt – und das ist Grund zur Vorfreude.