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

Produziert von: Science Popularization China

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

Hersteller: China Science Expo

Die meisten der ältesten Zivilisationen der Welt glaubten früher, dass das Herz der Träger des menschlichen Geistes sei, dass sich der Kern aller Gefühle und Gedanken im Herzen befinde und dass das Gehirn lediglich ein Kühlorgan sei.

Erst im 20. Jahrhundert, mit der Weiterentwicklung medizinischer Technologien wie der Physiologie und Anatomie, erkannten die Menschen allmählich, dass das Gehirn das Organ des Denkens ist. Infolgedessen verlagerte sich der Träger des „Denkens“ in den Konzepten der Menschen allmählich vom „Herzen“ zum „Gehirn“. Doch um „Dinge zu erledigen“, reicht Denken allein nicht aus, es muss in die Praxis umgesetzt werden.

Bestimmte Technologien sorgen dafür, dass „Wünsche wahr werden“ nach und nach Wirklichkeit werden. Sie haben sicher schon von dieser Technologie gehört, die als Gehirn-Computer-Schnittstelle (Brain-Computer Interface, BCI; auch bekannt als Brain-Machine Interface, BMI) bezeichnet wird. Bei dieser Technologie wäre es vielleicht angemessener, „Wünsche werden wahr“ in „Gehirnträume werden wahr“ zu ändern.

Konzeptdiagramm der Gehirn-Computer-Schnittstelle

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Brain-Computer-Interface lässt „Denken wahr werden“

Was ist eine Gehirn-Computer-Schnittstelle? Einfach ausgedrückt ist ein Ende davon mit Ihrem Gehirn verbunden und extrahiert Ihre Gedanken aus den komplexen und dichten neuronalen elektrischen Signalen, und das andere Ende ist mit externen Geräten wie Computern oder Maschinen verbunden und umgeht Ihren Körper direkt, um Gedanken in Steuersignale umzuwandeln und anschließend Befehle auszuführen. Es kann einen direkten Informationsaustausch zwischen dem Gehirnzentrum und externen Geräten herstellen, ohne auf die peripheren Nerven- und Muskelsysteme Ihrer Gliedmaßen angewiesen zu sein.

Wenn Sie beispielsweise im Bild unten „Hallo“ auf dem Computerbildschirm eingeben möchten, kann die Gehirn-Computer-Schnittstelle das Signal aus dem entsprechenden Gehirnbereich direkt lesen und „Hallo“ auf dem Computerbildschirm eingeben. Bei diesem Vorgang müssen Sie nur „denken“ und müssen überhaupt nicht auf der Tastatur tippen.

Gedankentippen

(Bildquelle: SciTechDaily)

Wie weit ist die Technologie der Gehirn-Computer-Schnittstellen heute weiterentwickelt? Werfen wir einen kurzen Blick auf seine Geschichte.

Im Jahr 1875 gelang es dem britischen Arzt Richard Caton, selbstfließende Ströme im Gehirn von Kaninchen und Affen aufzuzeichnen. 1924 zeichnete der deutsche Psychiater Hans Berger erstmals elektrische Signale des menschlichen Gehirns auf der Kopfhaut auf und nannte dies Elektroenzephalogramm (EEG). 1973 schlug der Informatiker Jacques J. Vidal von der University of California in Los Angeles offiziell das Konzept der Gehirn-Computer-Schnittstelle vor.

Dieser Zeitraum von fast hundert Jahren kann als eine Reise der menschlichen Erforschung der Machbarkeit der Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie bezeichnet werden – der Erforschung, ob der Mensch irgendwie brauchbare Signale vom Gehirn erhalten und sie in sinnvolle Ergebnisse umwandeln kann.

Das Fazit lautet natürlich: Ja!

Das erste Architekturdiagramm einer Gehirn-Computer-Schnittstelle

(Bildquelle: Referenz [3])

Anschließend, in den 50 Jahren von 1973 bis 2023, entwickelte sich die Gehirn-Computer-Schnittstelle allmählich von einem Science-Fiction-Konzept zur Realität.

Im Jahr 2000 gelang es dem brasilianischen Wissenschaftler Miguel Nicolelis und seinem Team, einem Affen mithilfe einer invasiven Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie die einfache Steuerung eines Roboterarms außerhalb seines Körpers, der ihm nicht gehörte, allein durch seine Gedanken zu ermöglichen. Seit dem 21. Jahrhundert befindet sich die Technologie der Gehirn-Computer-Schnittstelle auf der Überholspur der Entwicklung.

Experimente zur Gehirn-Computer-Schnittstelle am Menschen beginnen

Nach dem erfolgreichen Abschluss des Primatenexperiments besteht der nächste Schritt darin, das Experiment an Menschen durchzuführen.

Im Jahr 2004 führte ein US-Team klinische Tests mit Gehirn-Computer-Schnittstellen im Motorkortex durch und setzte invasive Gehirn-Computer-Schnittstellen erfolgreich zur Behandlung gelähmter Patienten ein. So wurde einem Tetraplegiker ermöglicht, mit seinem Verstand grundlegende Fähigkeiten wie die Steuerung einer TV-Fernbedienung, die Bewegung des Computercursors und das Greifen beweglicher Objekte mit einem Roboterarm zu steuern.

Dies markiert den Erfolg klinischer Tests von Gehirn-Computer-Schnittstellen am Menschen.

Im Jahr 2014 gelang es einem brasilianischen Patienten mit einer Lähmung der unteren Extremitäten, ein mechanisches Exoskelett mit seinen Gedanken zu steuern und die Eröffnungszeremonie der Fußballweltmeisterschaft zu absolvieren. Die Gehirn-Computer-Schnittstelle und das dazugehörige bionische Exoskelett rückten erneut ins Blickfeld der Öffentlichkeit.

Gelähmter Mann startet erfolgreich in die WM

(Bildquelle: newscientist)

Im Jahr 2016 gelang es einem Patienten, der zehn Jahre lang gelähmt und bettlägerig war, mithilfe der Brain-Computer-Interface-Technologie bestimmte Bereiche des Gehirns mit Hilfe von aus Druck umgewandelten elektrischen Signalen zu stimulieren und so eine Tastfunktion zu erreichen.

Dies zeigt, dass die Gehirn-Computer-Schnittstelle in diesem Stadium nicht nur Ihre Gedanken ausgeben, sondern auch sensorische Signale über das Rückenmark wieder in Ihr Gehirn einspeisen kann, wodurch eine wechselseitige Interaktion zwischen dem Gehirn und der äußeren Umgebung möglich wird .

Technologieexplosion : Fortschritte bei der Gehirn-Computer-Schnittstelle zeigen sich

Nach 2016 ist das gesamte Feld der Gehirn-Computer-Schnittstelle in eine Phase der technologischen Explosion eingetreten. Nicht nur wurden in der Grundlagenforschung zu Materialien und Morphologie der für Gehirn-Computer-Schnittstellen benötigten Elektroden große Fortschritte erzielt, die rasante Entwicklung der künstlichen Intelligenz ermöglichte auch eine effizientere Vorverarbeitung und Anwendung der vom Gehirn gesammelten Signale.

Die Präzision „gedankengesteuerter“ Prothesen wurde weiter verbessert. So gelang es beispielsweise einem Teilnehmer der Johns Hopkins University im Jahr 2019, zwei Prothesen gleichzeitig zu steuern, indem er zwei auf beiden Seiten seines Gehirns implantierte Mikroelektroden kontinuierlich anpasste. Im Jahr 2020 ermöglichte ein Team der Zhejiang-Universität einem Tetraplegiker, externe Roboterarme und -hände präzise zu steuern und grundlegende Bewegungen wie Essen und Händeschütteln präzise auszuführen.

Natürlich hat neben den Fortschritten in der bewegungsunterstützten Therapie auch die Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie im Bereich der Sprachwiederherstellung glänzen können .

Im Juni 2023 übernahm das der Fudan-Universität in meinem Land angeschlossene Huashan-Krankenhaus die Führung bei der Veröffentlichung eines für Chinesen geeigneten neuronalen Netzwerkmodells. Es kann chinesische Vokabeltöne und Grundsilben aus intrakraniellen Aufzeichnungen dekodieren und sie kombinieren, um Sprache zu erzeugen. Durch die Brain-Computer-Interface-Technologie hilft es Patienten mit tonalen Aussprachestörungen oder Aphasie, ihre „innere Stimme“ direkt zum Ausdruck zu bringen.

Die vom Forschungsteam des Huashan-Krankenhauses der Fudan-Universität entwickelte Gehirn-Computer-Schnittstelle wurde erfolgreich in Science Advances veröffentlicht

(Bildquelle: Science Advances Magazin)

Im August desselben Jahres nutzte ein Forscherteam der University of California in San Francisco eine invasive Gehirn-Computer-Schnittstelle, um zwei Patienten mit undeutlicher Aussprache aufgrund schwerer amyotropher Lateralsklerose dabei zu helfen, mit höherer Genauigkeit und moderaterer Sprechgeschwindigkeit mit anderen zu kommunizieren.

Allgemeine Lähmungen oder Sprachstörungen sind lediglich körperliche Erkrankungen, und die aktuelle Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie hat ihre leistungsstarke Funktion auch bei der Behandlung psychischer Erkrankungen unter Beweis gestellt.

Im Jahr 2021 konnten Forscher der University of California einer Patientin mit einer schweren depressiven Störung Linderung verschaffen, indem sie ihr einen Nervenschrittmacher ins Gehirn implantierten.

Ende 2020 richtete ein Krankenhaus in meinem Land ein klinisches Forschungsteam zur „Behandlung von therapieresistenten Depressionen über Gehirn-Computer-Schnittstellen“ ein und implantierte Patienten mit Depressionen einen Hirnschrittmacher mit Gehirn-Computer-Schnittstellenfunktion in das Gehirn. Bisher haben 23 Depressionspatienten die Behandlung abgeschlossen und ihr depressiver Zustand hat sich um durchschnittlich 60 % verbessert.

Abschluss

Die Brain-Computer-Interface-Technologie entwickelt sich von der Science-Fiction zur Realität, von den ersten Tierversuchen im Labor hin zu kommerziellen medizinischen Versuchen am Menschen. Es ist spannend, darüber nachzudenken, welche Zukunft diese „Gehirn“-Technologie bringen wird.

Der derzeitige Faktor, der die Entwicklung der Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie einschränkt, ist natürlich hauptsächlich auf unser unvollständiges Verständnis der Funktionsweise des Gehirns zurückzuführen. Die Erforschung des Gehirns ist eines der komplexesten und ungelöstesten Rätsel der Naturwissenschaften.

Die Forschung zu Gehirn-Computer-Schnittstellen ist noch im Gange. Wie gelingt es einer Gehirn-Computer-Schnittstelle, Objekte durch „Telepathie“ zu steuern? Worauf liegt derzeit der Forschungsschwerpunkt dieser Technologie? Wohin geht die zukünftige Entwicklung? Wir werden es im nächsten Artikel mit Ihnen teilen.

Quellen:

[1]Caton, Richard. „Die elektrischen Ströme des Gehirns“. British Medical Journal, 2 (1875)

[2]Evarts EV. Zusammenhang zwischen der Aktivität der Pyramidenbahn und der bei willkürlichen Bewegungen ausgeübten Kraft. J Neurophysiologie. 1968 Jan;31(1):14-27.

[3]Vidal JJ. Auf dem Weg zur direkten Gehirn-Computer-Kommunikation. Annu Rev Biophys Bioeng. 1973; 2:157-80.

[4]Nicolelis MA, Chapin JK. Roboter mit dem Verstand steuern. Sci Am. 2002 Okt;287(4):46-53.

[5]Hochberg LR, Serruya MD, Friehs GM, Mukand JA, Saleh M, Caplan AH, Branner A, Chen D, Penn RD, Donoghue JP. Neuronale Ensemblesteuerung von Prothesen durch einen Menschen mit Tetraplegie. Natur. 13. Juli 2006;442(7099):164-71.

[6]Liu Y, Zhao Z, Xu M, Yu H, Zhu Y, Zhang J, Bu L, Zhang X, Lu J, Li Y, Ming D, Wu J. Dekodierung und Synthese tonaler Sprachsprache aus Gehirnaktivität. Wissenschaftlicher Berater 2023 Jun 9;9(23):eadh0478.

[7] Scangos, KW, Khambhati, AN, Daly, PM, Makhoul, GS, Sugrue, LP, Zamanian, H., Liu, TX, Rao, VR, Sellers, KK, Dawes, HE, Starr, PA, Krystal, AD, Chang, EF, 2021. Closed-Loop-Neuromodulation bei einer Person mit behandlungsresistenter Depression. Nat Med 27(10), 1696-1700