Von der Science-Fiction zur Realität: Wie weit sind wir von einer Welt entfernt, in der Träume wahr werden? (Runter)

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Qian Yu (Zentrum für Exzellenz in Gehirnforschung und Intelligenztechnologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Sie haben sicher schon solche Zaubershows gesehen, bei denen Zauberer die sogenannte „Telekinese“ nutzen, um Gegenstände wie Gabeln über eine gewisse Distanz zu verbiegen, Gegenstände durch die Luft aufzuheben usw. Dies sind alles sorgfältig gestaltete Erscheinungen, die die Zauberer uns zeigen. Können wir also tatsächlich Objekte durch „Telekinese“ manipulieren, ohne unsere eigenen Gliedmaßen zu benutzen?

Die Antwort ist ja. Mithilfe der Brain-Computer-Interface-Technologie können wir die „Telepathie“ (elektrische Signale des Gehirns) des Gehirns direkt nutzen, um einzelne externe Objekte, Roboterarme oder sogar Exoskelette zu steuern und so die entsprechenden Objekte zu manipulieren.

Wie können wir unserem Gehirn also auf einfache Weise die Fähigkeit zur „Telekinese“ verleihen?

Zwei Wege zur "Telekinese"

Um „Telepathie“ durch die Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie zu realisieren, ist es notwendig, die neuronalen elektrischen Signale dessen, „was Ihr Gehirn tun möchte“, zu sammeln, die in diesen Signalen kodierten Informationen zu analysieren und sie an externe Objekte zu übertragen, um das Gehirn direkt zu steuern, damit es Informationen empfängt und Vorgänge wie Bewegungen ausführt.

Die aktuelle Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie kann in zwei Kategorien unterteilt werden: invasive Gehirn-Computer-Schnittstelle und nicht-invasive Gehirn-Computer-Schnittstelle .

Wie wir alle wissen, wird unser Gehirn durch eine harte Schädelschicht geschützt. Eine nichtinvasive Gehirn-Computer-Schnittstelle ist eine Art Schnittstelle, die Aktivitätssignale von Gehirnneuronen erfassen kann, ohne die Schädelstruktur zu zerstören oder tief in das Gehirngewebe einzudringen. Im Allgemeinen wird zum Erfassen von Signalen ein hutähnliches, am Kopf getragenes Gerät verwendet.

Am gebräuchlichsten ist das Elektroenzephalogramm (EEG) der Kopfhaut, eine nichtinvasive Methode zur Überwachung der elektrischen Aktivität im Gehirn, bei der Elektroden auf der Kopfhaut angebracht werden, um die relativ langsamen postsynaptischen Potenziale aufzuzeichnen, die durch elektrische Ströme in und um Neuronen erzeugt werden. Mittels EEG kann die Aktivität von Gehirnneuronen direkt und in Echtzeit ohne invasive Maßnahmen erfasst werden.

Da es jedoch nur außerhalb des Schädels platziert ist, wird die neuronale Aktivität, die das EEG erzeugt, durch das gesamte Gehirn übertragen, sodass die Signalgenauigkeit relativ gering ist und es schwierig ist, die relative Position der Quelle des Elektrodensignals zu bestimmen. und das Gehirn ist eine dreidimensionale Struktur, daher ist es schwierig, Signale aus tiefen Hirnregionen aufzuzeichnen.

Schematische Darstellung des EEG-Gerätes

(Bildquelle: Referenz [1])

Eine invasive Gehirn -Computer-Schnittstelle erfordert die teilweise Zerstörung der Schädelstruktur und das Einführen von Signalerfassungselektroden durch den Schädel in das weiche Hirngewebe, um EEG-Signale zu erhalten. Bei einer halbinvasiven Gehirn-Computer-Schnittstelle , beispielsweise bei der Elektrokortikographie (EKG), wird der Schädel durchquert, die Elektroden werden jedoch nicht in das Hirngewebe eingeführt, sondern nur auf die Oberfläche geklebt.

Verschiedene Arten von Gehirn-Computer-Schnittstellen

(Bildquelle: Referenz [2])

Der Vorteil invasiver Gehirn-Computer-Schnittstellen besteht darin, dass sie die elektrischen Signale des Gehirns klarer und genauer aufzeichnen können , sogar bis auf die Ebene einzelner Neuronen. Dies ist unbedingt erforderlich, um nach der Dekodierung Befehle erfolgreich auszuführen und so die „Telekinese“ zu beherrschen. Es kann auch präzise elektrische Stimulationen abgeben, um bestimmte Empfindungen hervorzurufen.

Da für invasive Gehirn-Computer-Schnittstellen jedoch die Entfernung eines kleinen Stücks des Schädels erforderlich ist, ist dieser Ansatz der „Gehirnöffnung“ entmutigend.

Gibt es eine Möglichkeit, „Telekinese“ einfacher und mit weniger oder gar keinem Schaden zu meistern? Auf dem Gebiet der Gehirn-Computer-Schnittstellen wird intensiv an der Lösung dieses Problems gearbeitet und es wurden bereits einige Fortschritte erzielt.

Wie man "Telekinese" kostengünstig und einfach lernt

Die auf der jüngsten World Artificial Intelligence Conference vorgestellte, vom Mundwerkzeug einer Mücke inspirierte bionische flexible Elektrode kann minimalinvasiv implantiert werden. Die Struktur dieser Elektrode ähnelt den einzigartigen Mundwerkzeugen einer Mücke. Es ist außen hart, innen jedoch weich. Wenn es in das Hirngewebe eindringt, ist es wie eine Mücke, die Blut saugt und in die Haut eindringt. Es minimiert Hirnschäden und sorgt gleichzeitig für eine hohe Signalgenauigkeit. Allerdings ist auch bei dieser Methode das Öffnen eines kleinen Schädelstücks erforderlich.

Bionische, flexible Nervensonde im Mundwerkzeug-Stil einer Mücke

(Bildquelle: Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Ist es darüber hinaus möglich, die Elektroden der Gehirn-Computer-Schnittstelle durch Injektion zu implantieren, so wie in „Inception“?

Denn obwohl wir Angst vor einer Kraniotomie haben, haben wir keine Angst vor Injektionen.

Ein wissenschaftliches Forscherteam aus Australien hat ein minimalinvasives Gehirncomputer-Gerät namens „Stentrode“ entwickelt. Dabei handelt es sich um ein gefäßgestütztes, stentähnliches Gehirncomputer-Gerät, das aus der Vene an der Halswurzel in die Blutgefäße des Gehirns eingeführt wird. In den Blutgefäßen neben bestimmten Gehirnbereichen werden 16 Elektroden platziert, um die neuronale Aktivität des Gehirns zu erfassen und zu übertragen.

Stentrode

(Bildquelle: Neuronews)

In ähnlicher Weise entwickelte das Team der Stanford University auch eine ultraflexible mikroendovaskuläre (MEV) Sonde, die präzise über die Halsgefäße an die weniger als hundert Mikrometer großen Blutgefäße im Gehirn von Ratten herangeführt wurde, wodurch eine langfristige und stabile Aufzeichnung elektrischer Signale in der Hirnrinde und im Bulbus olfactorius erreicht wurde.

Ultraflexible mikrovaskuläre Sonde

(Bildquelle: Referenz [4])

Diese Technologien, die die elektrischen Signale des Gehirns über Blutgefäße aufzeichnen, um die „Telekinese“ zu beherrschen, erfordern lediglich eine Injektion und können problemlos Gehirnsignale aufzeichnen, ohne dass eine Schädeloperation erforderlich ist. Die Nachteile dieser Technologien sind jedoch die gleichen wie bei anderen nicht-invasiven Technologien. Signalfluss und Wiedergabetreue sind nicht optimal und es kann möglicherweise nur ein sehr allgemeines Maß an „Telepathie“ erreicht werden.

Man hofft, dass es in Zukunft möglich sein wird, minimalinvasive oder gar nichtinvasive Gehirn-Computer-Schnittstellenimplantate zu entwickeln und das Signal-Rausch-Verhältnis der elektrischen Signale des Gehirns zu verbessern, wodurch der Weg zur Erlangung von „Telepathie“ einfacher und sicherer wird.

Die Zukunft der Gehirn-Computer-Schnittstellen

Was hält die Zukunft für Gehirn-Computer-Schnittstellen bereit?

Es bewegt sich definitiv in Richtung der Ziele, nicht invasiv, qualitativ hochwertig (hohe räumlich-zeitliche Auflösung) und interaktiv (d. h. das Gehirn und die Gehirn-Computer-Schnittstelle können interagieren) zu sein. Doch um diese Ziele zu erreichen, sind noch erhebliche Investitionen und Leistungen in die wissenschaftliche Forschung erforderlich.

Genau wie in „Avatar“ kann man in einer luftdichten Kabine liegend und mit einem Gerät am Körper einen anderen Körper steuern, um verschiedene Aktivitäten auszuführen. Dies sollte in absehbarer Zeit möglich sein. Schließlich ist das Erfassen und Dekodieren von Bewegungssignalen die am häufigsten verwendete Technologie bei Gehirn-Computer-Schnittstellen.

Fernbedienung für die Gehirn-Computer-Schnittstelle

(Bildquelle: Film „Avatar“)

Die Realisierung einer Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie, die das menschliche Denken wie in Science-Fiction-Romanen vollständig kontrollieren kann, ist jedoch nach dem aktuellen Stand der Technik immer noch Science-Fiction.

Obwohl Gehirn-Computer-Schnittstellen derzeit nur eine einfache „Telepathie“ ermöglichen, hat dies viele positive Auswirkungen auf die Rehabilitation von Patienten mit Hirnschäden gehabt und vielen Menschen mit Behinderungen die Möglichkeit gegeben, wieder für sich selbst zu sorgen.

Es ist absehbar, dass Gehirn-Computer-Schnittstellen in naher Zukunft die aktuelle Situation von Menschen mit Behinderungen völlig verändern und vielen gelähmten Patienten eine umfassendere Genesung ermöglichen werden. Hoffentlich kann bis dahin jeder behinderte Mensch, der irreversible körperliche Schäden erlitten hat, ein schönes und würdiges Leben wie ein normaler Mensch führen.

Vielleicht wird es eines Tages dank der Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie jedem, der „Telekinese“ erlernen möchte, möglich sein, diese nach Belieben und ohne Risiko einzusetzen, sodass Operationen wie Telekinese kein „Zaubertrick“ mehr sind.

Quellen:

[1] Sebastian Nagel, Auf dem Weg zu einem BCI für den Heimgebrauch: schnelle asynchrone Steuerung und robuste nicht-gesteuerte Zustandserkennung. SEBASTIAN NAGEL

in Gelnhausen, 2019

[2]Shujhat KhanTipu Aziz, Das Gehirn transzendieren: Gibt es einen Preis für das Hacken des Nervensystems? Brain Communications, 2019

[3]Tang J, LeBel A, Jain S, et al. Semantische Rekonstruktion kontinuierlicher Sprache aus nicht-invasiven Gehirnaufzeichnungen[J]. Nature Neuroscience, 2023: 1-9.

[4] Anqi Zhang, Charles M. Lieber et al. Ultraflexible endovaskuläre Sonden zur Gehirnaufzeichnung durch mikrometergroße Gefäße. Science 381, 306–312, 2023.