Die Forschung im Bereich der Computer-Hirn-Schnittstellen (BCI) macht beeindruckende Fortschritte und eröffnet neue Perspektiven für Menschen mit Lähmungen. Ein Chip im Gehirn, verbunden mit einem Roboterarm oder einer Muskelstimulationsmanschette, ermöglicht es, Gedanken in Handlungen umzusetzen. Dieser Artikel beleuchtet die aktuellen Entwicklungen, Herausforderungen und ethischen Fragen dieser vielversprechenden Technologie.
Einführung
Die Vision, gelähmten Menschen die Kontrolle über ihren Körper zurückzugeben, treibt Forscher weltweit an. Computer-Hirn-Schnittstellen, die elektrische Signale des Gehirns interpretieren und in Befehle für externe Geräte umwandeln, stehen im Zentrum dieser Bemühungen. Von der Steuerung von Roboterarmen bis zur direkten Stimulation gelähmter Muskeln - die Möglichkeiten scheinen grenzenlos.
Meilensteine der Forschung
Erste Erfolge mit Roboterarmen
Ein Schlüsselexperiment gelang Miguel Nicolelis im Jahr 2002, als er einem Rhesusaffen beibrachte, über eine implantierte Computer-Hirn-Schnittstelle einen Roboterarm zu bewegen. Einem anderen Forscherteam um John Donoghue gelang 2012 der Durchbruch beim Menschen: Eine gelähmte Frau steuerte über eine Computer-Hirn-Schnittstelle einen Roboterarm und konnte so eine Flasche Kaffee zu ihrem Mund führen.
Der Fall Ian Burkhart: Gedanken werden zu Bewegungen
Ein besonders bemerkenswertes Beispiel ist Ian Burkhart, ein seit einem Tauchunfall querschnittsgelähmter Mann. Ihm wurde 2014 ein erbsengroßer Computerchip in das Hirnareal eingesetzt, das Bewegungen steuert. Eine lernfähige Software decodiert die Hirnsignale und übersetzt sie in Impulse für eine Unterarmmanschette, die gezielt Muskelpartien elektrisch stimuliert. Durch intensives Training konnte Burkhart komplexe Bewegungen ausführen, wie das Einschenken aus einer Karaffe oder das Spielen eines Gitarren-Videospiels.
Kaffeetrinken durch Gedankenkraft
Eine 58-jährige Frau, seit 15 Jahren vom Hals abwärts gelähmt, erlangte durch ein Hirnimplantat die Fähigkeit, einen Roboterarm allein mit der Kraft ihrer Gedanken zu steuern. Sie konnte einen Becher greifen, ihn zum Mund führen und einen Schluck Kaffee trinken. Dies wurde als die bisher komplexeste Funktion beschrieben, die je jemand über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle ausgeführt habe. Die zum Zeitpunkt der Untersuchung 58-jährige Frau hatte bereits 2005 ein Hirnimplantat erhalten. Es funktioniert wie ein Sensor, der über winzige Elektroden die Nervensignale aus dem Gehirn an einen Computer leitet. Dieser ist mit einem Roboter-Arm verbunden und wandelt die Nervensignale in Bewegungen um. Es sei bemerkenswert, dass die Nervensignale auch 15 Jahre nach dem Auftreten der Lähmung ausreichten, um ein externes Hilfsgerät wie den Arm zu steuern, schreiben die Forscher um Hochberg. Zudem sei ermutigend, dass das Implantat noch funktioniere, obwohl es bereits fünf Jahre vor den aktuellen Versuchen eingesetzt worden sei. In ihrem Bericht stellen die Forscher einen weiteren durch Hirnschlag gelähmten Patienten vor. Der 66-Jährige bekam fünf Monate vor Beginn der Tests das Hirnimplantat. Beide Probanden hatten in ersten Experimenten zunächst trainiert, über das Implantat kraft ihrer Gedanken einen Computer-Cursor zu steuern. Um den Roboterarm zu bewegen, stellten sich die Patienten dann einfach vor, sie würden die Bewegungen mit ihrem eigenen Arm ausführen. In den ersten Tests übten sie zunächst auch mit einem anderen Roboter-Arm, der als gewöhnliche Arm-Prothese entwickelt worden war, nach kleinen Schaumstoffbällen zu greifen. Einem Probanden gelang dies in 62 Prozent aller Versuchen, dem anderen in 46 Prozent. Danach lernte die Patientin dann, mit dem DLR-Roboterarm nach einem Becher Kaffee zu greifen. Als sie das erste Mal nach 15 Jahren den Strohhalm berührte, habe die Frau gelächelt.
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Technische Aspekte und Herausforderungen
Invasive vs. nicht-invasive Methoden
Es gibt zwei Hauptansätze für Computer-Hirn-Schnittstellen: invasive und nicht-invasive Methoden. Invasive Methoden erfordern eine Operation, um einen Messfühler ins Gehirn zu pflanzen. Diese ermöglichen eine präzisere Messung der Hirnaktivität, bergen jedoch auch Risiken wie Hirnblutungen und Infektionen. Nicht-invasive Methoden, wie das Elektroenzephalogramm (EEG), messen Hirnströme mit Elektroden auf der Kopfhaut. Sie sind weniger riskant, bieten aber auch eine geringere Datenqualität.
Die Braingate-Technologie
Das Braingate-System, das in vielen der genannten Experimente eingesetzt wurde, verwendet einen kleinen Chip mit Elektroden, der in den motorischen Cortex implantiert wird. Die Elektroden erfassen die Nervensignale, die dann von einem Computer interpretiert und in Befehle für externe Geräte umgewandelt werden.
Verbesserung der Technik
Die Forscher arbeiten kontinuierlich daran, die Technik zu verbessern. Wünschenswert ist eine kabellose Signalübertragung, um das Risiko von Komplikationen durch das Kabel, das aus dem Schädel ragt, zu minimieren. Außerdem müssen Präzision und Geschwindigkeit der Bewegungen verbessert werden.
Langfristige Funktionsfähigkeit
Eine zentrale Voraussetzung für den routinemäßigen Einsatz von Hirnimplantaten bei Gelähmten ist eine langfristige Funktionsfähigkeit. Es ist ermutigend, dass Implantate auch nach mehreren Jahren noch zuverlässig funktionieren, aber weitere Forschung ist erforderlich, um die Lebensdauer und Stabilität der Implantate zu gewährleisten.
Ethische Fragen
Die Entwicklung von Computer-Hirn-Schnittstellen wirft wichtige ethische Fragen auf. Wenn Chips im Hirn unser Denken und Handeln beeinflussen, dann wird die Trennung kaum mehr möglich sein, was Mensch ist und was Technik.
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Die Rolle des Gehirns als Träger der Individualität
Das Gehirn ist der Träger unserer Individualität, unserer Persönlichkeit. Wenn nun Chips im Hirn unser Denken und Handeln beeinflussen, dann wird die Trennung kaum mehr möglich sein, was Mensch ist und was Technik.
Visionen für die Zukunft
Laufen durch Gedankenkraft
Eine Vision für die nahe Zukunft ist, dass gelähmte Menschen wieder laufen können. Forscher entwickeln Computer-Hirn-Schnittstellen mit Chips, die ins Gehirn implantiert werden und ein Exoskelett steuern, mit dem sich der Patient wieder auf den Weg machen kann.
Überwindung von Sinnesbeschränkungen
Einige Forscher gehen davon aus, dass Computer-Hirn-Schnittstellen eines Tages neue Sinneswahrnehmungen ermöglichen könnten. So könnte beispielsweise ein Infrarot-Sensor, der mit einem Chip im Gehirn verbunden ist, einem Menschen die Fähigkeit geben, Infrarotlicht zu sehen.
Gedankensteuerung von Computern
Manche Forscher prophezeien, dass Computer-Hirn-Schnittstellen noch in diesem Jahrhundert Eingabegeräte wie Maus und Tastatur überflüssig machen werden. Wir werden dann nur mit unseren Gedanken den Rechner steuern, glauben sie.
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