Gehirn-Computer-Schnittstellen werden Realität: die neuesten Erkenntnisse von 5 Hirnforschern

Das Gehirn ist komplex und geheimnisvoll und die Erforschung des Gehirns gilt als eine der größten Entdeckungen der Menschheit. Als einer der komplexesten Bereiche der wissenschaftlichen Erforschung ist die Erforschung des Gehirns sowohl faszinierend als auch entmutigend.

Wird die Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie zu einer Degeneration des Menschen führen? Wird der freie Wille des Menschen durch andere manipuliert, wenn die Technologie der Gehirn-Computer-Schnittstellen erst einmal Anwendung findet? Wie können wir unsere inhärente Subjektivität überwinden, indem wir das menschliche Gehirn nutzen, um das menschliche Gehirn zu studieren? Können Gehirn-Computer-Schnittstellen das unbegrenzte menschliche Potenzial freisetzen?

Diese Fragen mögen unrealistisch und weit hergeholt erscheinen, sind es aber nicht. Die Szenen aus Science-Fiction-Romanen und -Filmen von vor zehn Jahren sind heute durch Wissenschaft und Technologie Wirklichkeit geworden. Wir haben beispielsweise bewiesen, dass die Brain-Computer-Interface-Technologie die motorischen Fähigkeiten von Menschen wiederherstellen und es Patienten mit Hirnschäden ermöglichen kann, auf einfache Weise durch Gedanken zu kommunizieren. In den letzten Jahren gab es häufig neue Entwicklungen in der Brain-Computer-Interface-Technologie, doch zwischen der öffentlichen Wahrnehmung von Brain-Computer-Interfaces und der Realität besteht immer noch eine Lücke. Wo liegen derzeit die Engpässe in diesem komplexen Forschungsfeld? In welchem ​​Stadium befindet sich die Forschung zur Brain-Computer-Interface-Technologie? Welche neuen Technologien entstehen?

Am 16. September stellten auf dem internationalen Forum „Neurotechnologie für die Massen“, das vom Tianqiao and Chrissy Chen Institute (TCCI) veranstaltet wurde, fünf international renommierte Wissenschaftler aus China, den USA, Deutschland, den Niederlanden und Singapur die modernste Neurotechnologie vor und diskutierten ausführlich die Anwendungsfortschritte dieser Technologien in den Bereichen Klinik, Psychologie und Rehabilitation. Das Forum beantwortet die rätselhaftesten Fragen der Öffentlichkeit. Lassen Sie uns tiefer in die Materie eintauchen und sehen, welche neuesten Fortschritte diese „stärksten Köpfe“, die das Gehirn erforschen, bei Gehirn-Computer-Schnittstellen erzielt haben.

Zurück zum Ursprung: Der Traum der Menschheit, das Gehirn zu entschlüsseln, ist wahr geworden

Schon in den 1930er Jahren, seit der deutsche Psychiater Hans Berger das Elektroenzephalogramm entdeckte, begannen sich Wissenschaftler zu fragen, was diese Gehirnwellen bedeuten. Seitdem wurden viele Versuche unternommen. Beispielsweise werden die Probanden aufgefordert, sich unter der Überwachung eines Elektroenzephalogramms Buchstaben vorzustellen und daraus Sätze zu buchstabieren oder sich die Sätze sogar direkt vorzustellen und sie vom Computer entschlüsseln zu lassen, wodurch die Patienten in die Lage versetzt werden, durch „Gedanken“ direkt mit der Außenwelt zu kommunizieren. Diese Dinge, die in der Vergangenheit als „Science-Fiction“ galten, werden nun allmählich Realität.

Derzeit werden invasive neurologische Technologien (wie beispielsweise Tiefenhirnelektroden) in der klinischen Praxis hauptsächlich zur Behandlung der Parkinson-Krankheit und Epilepsie eingesetzt. Sie sind zwar präzise und effektiv, stehen aber auch vor Herausforderungen wie politischer Aufsicht, hohen Preisen und unklaren Grundsätzen. Im Gegensatz dazu erhalten nicht-invasive Technologien wie die Polysomnographie zwar leichter eine Zulassung, sind aber weniger genau.

(Professor Gerwin Schalk stellt seine Forschung zur Entschlüsselung der menschlichen Sprache durch die Anwendung neuronaler Technologie vor)

Auf dem Forum erläuterte Professor Gerwin Schalk, Direktor des Tianqiao Institute for Brain Science Applied Neurotechnology Frontier Lab (TCCI Frontier Lab), anschaulich die Arbeit der Hirnforscher: „Es ist, als würde man ein Mikrofon außerhalb eines Stadions aufstellen. Im Stadion ist es schwer, den Ton zu hören. Aber wenn wir viele Mikrofone außerhalb des Stadions aufstellen, können wir mehr Informationen sammeln. Genau das machen wir jetzt.“

Obwohl sich die Anwendung der Neurotechnologie im letzten Jahrhundert rasant entwickelt hat, gibt es nur sehr wenige erfolgreiche Fälle, die wirklich auf Patienten und die breite Öffentlichkeit anwendbar sind. Von der Laborforschung bis zur endgültigen Anwendung ist es noch ein langer Weg, der die Integration und Zusammenarbeit mehrerer Disziplinen erfordert. Das von Professor Schalks Team entwickelte Forschungssystem zur Gehirn-Computer-Schnittstelle hat bemerkenswerte Ergebnisse erzielt. Während herkömmliche elektrische Stimulationen zur Erkennung funktioneller Bereiche des Gehirns mehrere Stunden dauern können, dauert das von Professor Schalks Team entwickelte System nur wenige Minuten. Heute wird dieses System weltweit häufig eingesetzt. Mit Blick auf die Zukunft hofft Professor Schalk, am Tianqiao Brain Science Institute (TCCI) weiterhin an Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologien forschen zu können, die für große Bevölkerungsgruppen in China geeignet sind. So möchte er beispielsweise eingehende Untersuchungen zu den Gehirnregionen durchführen, die an der chinesischen Sprache beteiligt sind.

Obwohl das Gebiet der Gehirnforschung komplex ist, entwickelt es sich in einer Aufwärtsspirale weiter. Als führender Gehirnforscher ist Professor Schalk davon überzeugt, dass die Erforschung der Gehirnforschung pragmatisch erfolgen muss und sich nicht nur auf schöne Konzepte und Designs konzentrieren darf. Die wissenschaftliche Gemeinschaft muss nachhaltige und systematische Anstrengungen unternehmen, um praktische Probleme zu lösen. Eine eingehende Erforschung des Gehirns kann uns ermöglichen, das Gehirn in einer völlig neuen Dimension zu verstehen.

Metabrain: Mit digitaler Technologie das menschliche Gehirn simulieren

Wenn wir tiefer in das Gehirn eindringen, digitale Technologie anwenden, um den dynamischen Zustand des Gehirns wiederherzustellen, und ein digitales Gehirn bauen, können wir das Gehirn auf lebendige Weise verstehen und erforschen. Wenn das Gehirn beispielsweise krank ist, kommt es zu einer Reihe von Veränderungen. Wenn es uns gelingt, ein entsprechendes digitales Gehirn zu bauen und die dynamische Entwicklung und Evolution der Krankheit wiederherzustellen, könnte uns dies dabei helfen, ihren Mechanismus besser zu verstehen, präzisere Vorhersagen zu treffen und präzisere Behandlungspläne zu entwickeln.

(Professor Hong Bo stellte das Konzept des Meta-Gehirns und die Zusammensetzung des dynamischen Meta-Gehirn-Systems vor)

Während des Forums stellte Professor Hong Bo von der Fakultät für Biomedizintechnik der Universität Tsinghua das aufkommende Konzept des „Meta Brain“ und die damit verbundene Arbeit seines Teams auf diesem Gebiet vor. „Es fällt Ihnen vielleicht schwer, sich vorzustellen, dass unzählige schöne mathematische Formeln die Funktionsweise des menschlichen Gehirns erklären können.“ Auf der Tagung stellte Professor Hong Bo vor, dass das Konzept des Meta-Gehirns darin besteht, mithilfe der Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie ein dynamisches digitales Modell des Gehirns zu erstellen, um das Verständnis der Funktionsabläufe des Gehirns zu verbessern, physiologische und pathologische Prozesse zu reproduzieren und letztendlich Anwendungsziele zu erreichen.

Die Chance für die schnelle Entwicklung des Metahirns liegt darin, die Entwicklung hochmoderner Technologien wie Neuroimaging, Elektroenzephalographie und Computertechnologie zu nutzen, die alle dazu beitragen, die Forschung zum Metahirn zu vertiefen. Professor Hong Bo stellte die Arbeit vieler Wissenschaftler zur digitalen Rekonstruktion des Gehirns vor, beispielsweise des statischen Metagehirns, des dynamischen Erregungsmetagehirns und sogar des dynamischen epileptischen Gehirns. All diese Arbeiten zur digitalen Rekonstruktion des Gehirns legen den Grundstein für den Aufbau des zukünftigen krankheitsresistenten digitalen Gehirns und des digitalen Zwillingsgehirns.

Während sich die Technologie der Gehirn-Computer-Schnittstellen weiterentwickelt, sind die ethischen Risiken die größten Kontroversen. In den ethischen Diskussionen im Bereich der Hirnforschung gibt es viele Stimmen, und sowohl Befürworter als auch Gegner vertreten berechtigte Positionen. Als erfahrener Wissenschaftler auf dem Gebiet der Gehirnforschung schlug Professor Hong Bo eine Lösung vor. Professor Hong Bo ist der Ansicht, dass sich Gehirn-Computer-Schnittstellen derzeit noch in der Forschungsphase befinden und für alle Forschungsexperimente die Einwilligung der Versuchspersonen eingeholt werden muss, sodass die ethischen Risiken vorerst relativ gering sind. Wenn die Brain-Computer-Interface-Technologie in Zukunft flächendeckend eingesetzt wird, steigt das Risiko, dass das menschliche Gehirn oder Bewusstsein ausspioniert, entdeckt oder sogar aus der Ferne angegriffen wird, was zu ernsthaften gesellschaftlichen Problemen führen kann. Vielleicht können wir in Zukunft aus den ethischen Risiken der Genomeditierung einige ethische Ansätze für die Anwendung der Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie lernen.

Gehirn-Computer-Schnittstelle + Psychologie: Wiederaufbau der Kommunikationsbrücke zwischen den Köpfen

Derzeit leiden 20 % der Weltbevölkerung an einer neurologischen Störung, die Hälfte davon steht im Zusammenhang mit der psychischen Gesundheit und betrifft fast eine Milliarde Menschen. Die wichtigsten Behandlungsmethoden hierfür sind Medikamente und Psychotherapie. Für eine wirksame Behandlung ist jedoch häufig eine Langzeitbehandlung erforderlich. Gehirn-Computer-Schnittstellen haben großes Potenzial bei der Behandlung psychischer Erkrankungen.

Beispielsweise die Anwendung der Brain-Computer-Interface-Technologie beim klinischen Locked-in-Syndrom. Laut Professor Nick Ramsey vom Universitätsklinikum Utrecht in den Niederlanden kann das Locked-in-Syndrom im Spätstadium von Krankheiten wie der Motoneuron-Krankheit, einem Schlaganfall und der amyotrophen Lateralsklerose auftreten. Der Patient ist bei Bewusstsein, kann jedoch nur die Augenlider bewegen, was die Kommunikation mit der Außenwelt erschwert und große Schmerzen verursacht. Um die Lebensqualität solcher Patienten zu verbessern, hat das Team von Professor Ramsey viele Jahre lang geforscht.

(Professor Nick Ramsey stellt den Fall von Patienten mit Locked-in-Syndrom vor, die von der Brain-Computer-Interface-Technologie profitierten)

Das Team von Professor Ramsey hat für Patienten mit Locked-in-Syndrom ein Heimgerät mit Gehirn-Computer-Schnittstelle entwickelt, das ihnen dabei helfen kann, selbstständig mit der Außenwelt zu kommunizieren. Zuvor hatten sie dieses System bei einem 58-jährigen Patienten mit fortgeschrittenem Locked-in-Syndrom angewendet. Durch den Algorithmus der Dekodierungssoftware war der Patient nach wiederholtem Üben in der Lage, etwa zwei Buchstaben pro Minute einzugeben, mit einer Genauigkeitsrate von fast 90 %. Der entsprechende Fall wurde 2016 im New England Journal of Medicine veröffentlicht. Mittlerweile sind mehr als sechs Jahre vergangen und der Patient verwendet das Gerät immer noch bis zu 20 Stunden am Tag. Das Gerät ist für den Patienten zum einzigen Kommunikationskanal mit der Außenwelt geworden.

Darüber hinaus stellte Professor Ramsey auch mehrere andere technologische Forschungsfortschritte vor, die Patienten dabei helfen können, direkt mit der Außenwelt zu kommunizieren. Beispielsweise das Entschlüsseln von Sprache durch Erkennen der Bewegungen menschlicher Stimmorgane (wie Hals, Kiefer, Zunge usw.); Die Sätze, die die Patienten ausdrücken möchten, werden über Gehirn-Computer-Schnittstellen direkt entschlüsselt und auf dem Bildschirm dargestellt. Diese neuen Fortschritte bei Gehirn-Computer-Schnittstellen haben vielen Forschern und Patienten auf dem Gebiet der Gehirnforschung neuen Schwung gegeben und allen Hoffnung gebracht. Neben der Behandlung psychischer Erkrankungen haben Gehirn-Computer-Schnittstellen in der klinischen Rehabilitationsbehandlung schon immer große Aufmerksamkeit auf sich gezogen.

Gehirn-Computer-Schnittstelle + Rehabilitation: Patienten helfen, wieder Vertrauen in das Leben zu gewinnen

Die Integration von Gehirn-Computer-Schnittstellen und Neuromodulationstechnologie kann uns nicht nur dabei helfen, den wichtigen Zusammenhang zwischen Gehirnerschütterung, Gehirnfunktion und Verhalten zu entdecken, sondern auch die motorischen Funktionen der Patienten erheblich verbessern. Die Brain-Computer-Interface-Technologie ist ein sehr wirksames Instrument der klinischen Rehabilitation.

(Professor Soekadar zeigt den Fall einer Person mit Bewegungsstörungen, die sich nach dem Einsatz einer Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie erholte.)

Die von Professor Soekadars Team am Universitätsklinikum Berlin entwickelte Kombination aus nicht-invasiver Gehirn-Computer-Schnittstelle und Exoskelett kann die motorischen Befehle des Gehirns entschlüsseln und gezielte Stimulation anwenden. So können Patienten mit Bewegungsstörungen aufgrund schwerer Rückenmarksverletzungen einige Fähigkeiten zur Selbstversorgung wiedererlangen, wie etwa Greifen, Essen, Wassertrinken und andere alltägliche Aktivitäten. In der Praxis können einige Patienten mit Bewegungsstörungen mithilfe dieser Technologie einige Aktivitäten zur Selbstversorgung durchführen, was die Lebensqualität der Patienten erheblich verbessert. Obwohl die invasive Brain-Computer-Interface-Technologie noch immer mit zahlreichen Herausforderungen konfrontiert ist, wie etwa Infektionen und Blutungen, fehlende Lizenzen für die dauerhafte Nutzung, die Notwendigkeit eines chirurgischen Eingriffs und hohe Kosten, ist der klinische Anwendungswert der Brain-Computer-Interface + Exoskelett enorm. Eine zunehmende Zahl klinischer Studien bestätigt das Potenzial von Gehirn-Computer-Schnittstellen im Rehabilitationstraining.

(Professor Soekadar spricht über die Aussichten auf Durchbrüche in der Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie der nächsten Generation)

Was die zukünftige zweite Generation der Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie angeht, glaubt Professor Soekadar, dass es möglich sein wird, das Arbeitsgedächtnis, die Emotionsregulation und die motorisch-sensorische Interaktion in das System zu integrieren, um eine adaptive Stimulation der Gehirnfunktionen zu erreichen und die Stabilisierung und Verbesserung der Gehirnfunktionen zu realisieren. Neben der Rehabilitationstrainingsforschung konzentriert sich die Gehirn-Computer-Schnittstellenforschung des Teams auch auf den Wiederaufbau der psychischen Gesundheit und die künftige Integration von Emotionsregulation und motorischer Rehabilitation.

Professor Guan Cuntai von der School of Computer Science and Engineering der Nanyang Technological University in Singapur glaubt, dass die theoretische Grundlage für Gehirn-Computer-Schnittstellen, die zur funktionellen Wiederherstellung eingesetzt werden können, die Neuroplastizität ist. Unter der sogenannten Neuroplastizität versteht man die Fähigkeit des Gehirns, die Verbindungen zwischen Nervenzellen nach einer Schädigung kontinuierlich neu zu formen. Bei der Genesung neurologischer Erkrankungen geht es darum, durch gezielte Stimulation des Gehirns eine teilweise Wiederherstellung der Funktionen zu erreichen.

(Professor Guan Cuntai stellte die Forschungsergebnisse einer neuen nichtinvasiven Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie vor, die auf Deep Learning und anderen Algorithmen basiert.)

Professor Guan Cuntai nutzt die Brain-Computer-Interface-Technologie, um Schlaganfallpatienten ein gezieltes motorisches Rehabilitationstraining zu bieten. Professor Guan Cuntai wies außerdem darauf hin, dass Gehirn-Computer-Schnittstellen Schlaganfallpatienten neben der motorischen Rehabilitation auch bei der geistigen und psychologischen Rehabilitation helfen könnten. Die Forschung des Teams von Professor Guan Cuntai zeigt, dass die neue nichtinvasive Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie auf Basis von Deep Learning und anderen Algorithmen die Genauigkeit der Diagnose von Schlaganfallpatienten von 68,6 % der herkömmlichen Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie auf fast 90 % steigern kann.

Durch die Untersuchung der Anwendung von Brain-Computer-Interface-Rehabilitationstechnologie bei ADHS bei Kindern, kognitivem Abbau bei älteren Menschen, sozialer Angst und generalisierter Angst fand das Team heraus, dass die Probanden in der Lage waren, während der Erledigung vorgegebener Aufgaben Echtzeit-Feedback zu erhalten und so durch mehrfaches quantitatives Feedback und Training Ergebnisse wie verbesserte Aufmerksamkeit, gesteigerte Kognition und reduzierte Angst zu erzielen. Die Ergebnisse dieser Experimente inspirieren weiterhin Forscher auf dem Gebiet der Gehirnforschung und bringen den Patienten die gute Nachricht einer verbesserten Lebensqualität.

In diesem Forum wurden uns die modernsten technologischen Forschungsergebnisse zu Gehirn-Computer-Schnittstellen und deren neuesten Implementierungen präsentiert. Hirnforscher haben die Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie aus hochmodernen Laboren von der Theorie in die klinische Praxis überführt und so vielen Patienten mit eingeschränkter Lebensqualität Hoffnung gegeben und der breiten Öffentlichkeit einen Einblick in die Zukunft des Gehirns ermöglicht. Die Erforschung von Gehirnerkrankungen und die Forschung in der Gehirnforschung bringen uns der Welt der „schwarzen Löcher“ tief im Inneren des Gehirns näher. Auch wenn der Prozess schwierig und der Weg lang ist, bündelt die Hirnforschung ihr Energiepotenzial und bewegt sich Schritt für Schritt in Richtung Zukunft.