Brain Computer Interface

Die Schnittstellen zwischen Menschen und Computern bzw. Maschinen, im englischen „human machine interface (HMI)“ sind allgenwertig und reichen von einfachen Schnittstellen wie einem Lenkrad zu hochkomplexen Systemen. Die Möglichkeit, ohne Verwendung von Sprache und Bewegung mit einer Maschine zu interagieren, sondern über die direkte Schnittstelle vom Gehirn mit einer Maschine/Computer, das sogenannten „Brain Computer Interface (BCI)/Brain Machine Interface (BMI)“ zu interagieren, ist ein sich rasant entwickeltes Technologiefeld. Zunächst gedacht um Nutzer, welche die herkömmlichen Schnittstellen nicht nutzen können, den Alltag zu erleichtern, rücken die nicht-medizinischen Entwicklungsmöglichkeiten in den letzten Jahren mehr in den Fokus vor allem im Bereich der Lenkung von Robotern und Maschinen oder im Bereich der Gaming-Industrie.

Bereits 2009 konnten Menschen via BCI den Mauszeiger auf einem Bildschirm bewegen, allerdings nicht so effizient wie herkömmlich mit einer Maus. Ebenfalls ist es bereits möglich, Buchstabierprogramme oder robotischen bzw. prothetischen Effektoren zu steuern. Bei der Umsetzung dieser revolutionäre Bedienmöglichkeiten gilt es allerdings hohe technologische Herausforderungen zu meistern, welche zu einem hohen Entwicklungsaufwand führen.

In der breiten Öffentlichkeit angekommen ist das Thema vor allem durch Investition von Elon Musk und seiner Firma „Neuralink“ welche Anfang 2021 ein Video veröffentlichten, in dem ein Affe ein Computerspiel via Neuro-Chip steuert. Die grundsätzliche Steuerung eines Mauszeigers durch ein BCI ist aber bereits seit 2002 bei Affen realisiert und erforscht worden, die zugrundeliegende Idee existiert sogar bereits seit 1969. Ein Forscher verband die Nadel eines Amperemeters mit einem Neutron eines Affenhirn, welcher nach kurzer Zeit dazu in der Lage war das Amperemeter nach Bedarf ausschlagen zu lassen.

Neu an der Veröffentlichung von „Neuralink“ ist, dass die Übertragung via Funk-Chip kabellos funktioniert statt wie bisher mittels Elektroden-Hauben und Neuroprothesen und sich somit neue Einsatzszenarien eröffnen. Weitere Aufmerksamkeit erhielt das Projekt durch Musks Ankündigung, den Neuor-Chip bereits 2021 an Menschen zu testen.


Definition

Unter einem Brain-Computer-Interface (BCI) versteht man eine Kommunikationsmethode basierend auf der neuralen Aktivität des Gehirns, somit eine Kommunikation, die unabhängig von den normalen Ausgabewegen wie Gestik/Bewegung und Sprache ist. Dabei ist es nicht das Ziel, die Absicht einer Person durch das Abhören des Gehirns festzustellen, sondern dem Gehirn einen neuen Kommunikationsweg zu eröffnen der eine adaptive, aktive Kontrolle durch den Nutzer erfordert. Dabei wird eine Verbindung über das periphere oder das zentrale Nervensystem (Gehirn und Rückenmarksnerven) hergestellt. Denn bereits die Vorstellung eines beabsichtigen Verhaltens oder Aktion löst eine Hirnaktivität aus, welche mittels BCI in einen digitalen Befehl umgewandelt werden soll. Dafür müssen aber die spezifischen Muster, die bei einem beabsichtigen Verhalten entstehen, zunächst erkannt und im BCI hinterlegt werden damit eine Auslesung möglich ist. Dafür werden in der Regel Machine-Learning-Algorithmen oder Künstliche Intelligenz genutzt. Zur Mustererkennung muss der Nutzer seine Hirnaktivität entsprechend kontrollieren und sich genau auf das beabsichtige Verhalten konzentrieren.


Dabei werden zwei Arten von BCI unterschieden:

  • Unidirektionales BCI: Es erfolgt keine Rückmeldung an den Nutzern, das System besteht meist aus drei Elementen. Aufzeichnung der neuralen Signale, Analyse der Signale und die Übertragung des Befehls an eine Maschine, z.B. eine künstliche Hand wird durch die Vorstellung des Nutzers bewegt.
  • Bidirektionales BCI: Im Gegensatz zur unidirektionalen Variante kommt es zu einem Feedback, dem Nutzer wird z.B. zurückgemeldet wie stark sich die Hand geschlossen hat. Dafür werden zwei weitere Komponenten benötigt, so dass das Feedback entweder physiologisch, durch die Stimulation bestimmter Hirnregion oder über eine aktive Rückmeldung an den Nutzer erfolgt.

Anwendungsbereich

Die Anwendungsbereiche eines BCIs, bei dem die elektrischen Impulse, die im Gehirn erzeugt werden, ausgelesen und interpretiert werden beschränken sich aktuell vornehmlich auf den medizinischen Bereich und sind für Menschen mit Beeinträchtigungen konzipiert. Im Gegensatz dazu nutzen die im Gaming-Bereich kommerziell erwerbbaren BCIs die Impulse von Muskel unter der Kopfhaut und lesen diese aus.

Allerdings gibt es auch Ansätze BCIs, welche die elektrischen Felder im Gehirn auslesen, in der Industrie zu nutzen. Dafür forscht das Fraunhofer Institut an einer Möglichkeit die Sichtprüfungen im Rahmen der Qualitätssicherung mittels BCI zu verbessern.Dafür nutzen Sie die Erkenntnis, dass es im Gehirn bei Menschen zu einer Aufmerksamkeitsreaktion kommt, wenn Sie einen Fehler oder etwas Überraschendes wahrnehmen. Diese Reaktion kann mittels Elektroenzephalografie (EEG) gemessen und erfasst werden, schneller als der Nutzer eine Reaktion ausführen kann. Schneller als der Nutzer eine Reaktion ausführen kann. Der Mensch kann durch das BCI bei seiner Tätigkeit unterstützt werden.

Während die Nutzbarkeit von BCIs in der Industrie stark eingeschränkt sind, ist zu erwarten, dass durch die zunehmenden Investitionen auch in diesem Bereich in den nächsten Jahren technologische Fortschritte zunehmen.


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Quellen

Dr. Anna Schulte-Loosen, Fraunhofer-Institut für Naturwissenschaftlich-Technische „Brain-Computer-Interfaces“ abgerufen am 07.06.2021
https://www.int.fraunhofer.de/de/geschaeftsfelder/corporate-technology-foresight/Brain-Computer-Interfaces.html

sciencemediacenter „Brain-Machine-Interfaces – Gehirn und Maschine verknüpft“ abgerufen am 07.06.2021
https://www.sciencemediacenter.de/alle-angebote/fact-sheet/details/news/brain-machine-interfaces-gehirn-und-maschine-verknuepft/

Gert Pfurtscheller, Christa Neuper & Niels Birbaumer „Human Brain–Computer Interface“ abgerufen am 08.06.2021
https://www.researchgate.net/publication/267792090_4_Human_Brain-Computer_Interface

Volkart Wildermuth „Brain-Computer-Interface Neuralink - Elon Musks Hirngespinst“ abgerufen am 12.06.2021
https://www.deutschlandfunk.de/brain-computer-interface-neuralink-elon-musks-hirngespinst.676.de.html?dram:article_id=483469

Anirudh Vallabhaneni, Tao Wang & Bin He “BRAIN COMPUTER INTERFACE”
https://www.researchgate.net/publication/227160438_Brain-Computer_Interface

Gopal Santhanam, Stephen I. Ryu, Byron M. Yu, Afsheen Afshar1& Krishna V. Shenoy “A high-performance brain–computer interface” Vol 442|13 July 2006 Nature Publishing Group

Elon Musk's Neuralink scientists are not the first to get a monkey to control a computer with its mind Isobel Asher Hamilton Apr 11, 2021
https://www.businessinsider.com/elon-musk-neuralink-not-first-scientists-monkey-control-computer-mind-2021-4

Gehirn-Computer-Schnittstellen – eine neue Form der Kommunikation Brain-computer interfaces – a novel type of communication Grosse-Wentrup, Moritz Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Standort Tübingen, Tübing
https://www.hci.iao.fraunhofer.de/de/Human-Centered-AI/feinfuehlige-technik/brain-computer-interface-in-der-produktion-.html

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