Brain-Machine-Interfaces (BMIs), auch bekannt als Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCIs), stellen eine faszinierende und vielversprechende Technologie dar, die das Potenzial hat, die Lebensqualität von Menschen mit Einschränkungen erheblich zu verbessern. Diese Schnittstellen ermöglichen eine direkte Kommunikation zwischen dem menschlichen Gehirn und externen Geräten, wie beispielsweise Robotern, Computern oder Prothesen. Die Fortschritte in diesem Bereich sind rasant, und die Verzahnung von Robotik und Neurowissenschaften führt bereits jetzt zu beeindruckenden Ergebnissen, insbesondere in der Behandlung von gelähmten Patientinnen und Patienten.
Die Funktionsweise von Brain-Machine-Interfaces
BMIs ermöglichen eine bidirektionale Kommunikation, indem sie Gehirnaktivitäten lesen und interpretieren sowie elektronische Signale in das Gehirn übertragen. Dies wird in der Regel durch Implantate erreicht, die in das Gehirn eingeführt werden und neuronale Signale aufzeichnen und verstärken. Die Hirnregion, die Bewegungen steuern kann, nennt sich motorischer Kortex. Über das Implantat wird eine Verbindung zwischen dem motorischen Kortex und einem Computer hergestellt. Diese Technologie hat das Potenzial, das Leben von Menschen mit Einschränkungen zu verbessern, indem sie beispielsweise Prothesen oder Rollstühle steuern können.
Invasive und nicht-invasive Methoden
In der Forschung werden sowohl invasive als auch nicht-invasive Methoden eingesetzt. Invasive BMIs, wie sie beispielsweise von Neuralink entwickelt werden, erfordern das Einführen von elektrodenähnlichen "Threads" ins Gehirn. Nicht-invasive Methoden hingegen, die in Deutschland in der Forschung hauptsächlich verwendet werden, arbeiten mit Sensoren an der Kopfhaut und sind mit deutlich weniger Risiken verbunden. Sie sehen gerade einen Platzhalterinhalt von Pageflow. Um auf den eigentlichen Inhalt zuzugreifen, klicken Sie auf den Button unten. Teaserbild: Eingeschränkte Person (links) und ein invasives BMI (rechts).
Anwendungsbereiche von Brain-Machine-Interfaces
Die Anwendungsbereiche von BMIs sind vielfältig und reichen von Medizin und Rehabilitation bis hin zu Anwendungen in Virtual Reality und Gaming. In der Medizin werden BMIs bereits mit kleinen Erfolgen bei sogenannten Neuroprothesen eingesetzt. Motorische Neuroprothesen sollen dafür sorgen, dass durch Gedanken eine Bewegung ausgeführt werden kann. Sensorische Prothesen hingegen sollen dafür sorgen, dass bestimmte Sinnesorgane wieder funktionieren, z. B. das Auge oder das Ohr. Was schon sehr gut funktioniert, ist eine Prothese für das Innenohr, das Cochlea-Implantat. Es stellt eine Verbindung zwischen Ohr und Gehirn her. taube oder schwerhörige Menschen wieder hören. Dieses künstliche Hören ist allerdings nicht ganz so gut wie das natürliche Hören. Auch in der Unterhaltungsindustrie werden BCIs bereits getestet, beispielsweise in Computerspielen, in denen Testpersonen Figuren und Fahrzeuge steuern können.
Fortschritte in der Forschung und Entwicklung
Weltweit gibt es bereits mehr als 30 Personen, die einen Chip implantiert haben. Bekannte Länder für die Implantation dieser Technologie sind Amerika und China. Im Jahr 2020 verkündete China erfolgreich die Implantation eines Chips bei einem vollständig gelähmten Menschen. Die betroffene Person kann nun externe Roboterarme allein durch ihre Gedanken steuern. In den USA wurde 2023 die Forschung von invasiven Gehirn-Computer-Schnittstellen an Menschen freigegeben. Seit Mai 2023 hat das Unternehmen Neuralink, gegründet von Elon Musk, die Erlaubnis der US-Arzneimittelbehörde (FDA) ihre implantierbaren Brain Machine Interfaces (BMIs) an Menschen zu testen.
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Ein Forschungsteam rund um Prof. Gordon Cheng von der Technischen Universität München (TUM) konnte zeigen, dass das Training mit Hilfe eines Exoskeletts, einer außen am Körper angebrachten und extern mit dem Gehirn verbundenen robotischen Stütze, den Heilungsprozess von Menschen mit Querschnittslähmung voranbringt.
Herausforderungen und ethische Bedenken
Brain-Computer-Interfaces stellen die Forscher vor große Herausforderungen. gefertigt sein und brauchen eine lange Lebensdauer. Diese Technologie macht vielen Menschen Hoffnung auf ein besseres Leben. Aber es gibt auch moralische Bedenken. Wie sehr darf der Mensch in die Natur eingreifen? Schaden anrichten? Carsten Heuer: „Der medizinische Nutzen von BCI ist groß. Vorbehalte, wenn die Technologie eingesetzt werden soll, um gesunde Menschen leistungsfähiger zu machen.“ Genau das möchte beispielsweise der amerikanische Unternehmer Elon Musk mit seinem Unternehmen Neuralink tun. Mit der Heilung von Krankheiten hat dieses Ziel nichts zu tun.
Die Rolle der Kybernetik und Computational Neuroscience
Der große Durchbruch der Kybernetik war die Erkenntnis, dass Rückkopplungsschleifen auf der Basis von Informationen fast alle komplexe Systeme antreiben - egal ob Maschinen, biologische Organismen, Wirtschaftssysteme oder Gesellschaften. Die Einsicht hatte einen tiefgreifenden Einfluss auf zwei Fachgebiete, die in der ersten Hälfte des 20. Das neue kybernetische Verständnis sorgte nicht nur für Innovationen in diesen beiden Disziplinen. Vielmehr verflochten sich die Neurowissenschaften und die Informatik mit der immer schneller voranschreitenden Hard- und Softwareentwicklung auf eine Weise, die unsere Zukunft grundlegend prägen könnte. Denn einerseits nahmen sich die Entwickler von KI-Algorithmen die neuronalen Schaltkreise des Gehirns zum Vorbild. Andererseits erforschen Wissenschaftler bereits Wege, um KI-Technologien direkt mit dem menschlichen Gehirn zu verbinden.
Die Computational Neuroscience kann dazu einen wichtigen Beitrag leisten. In ihrem interdisziplinären Forschungsansatz vereint sie die Kompetenz aus den Bereichen Mathematik, Physik, Biologie, Medizin, Psychologie, Informatik und Ingenieurwissenschaften. Dadurch wird es möglich, Hypothesen in Formeln zu fassen, die man im Computer simulieren und überprüfen kann.
Neurorobotik: Die Verbindung von Neurowissenschaften, Robotik und Informatik
Die Neurorobotik ist ein interdisziplinäres Themenfeld, das die Disziplinen Neurowissenschaften, Robotik und Informatik vereint. Unter Neurorobotik versteht man technische Systeme, welche sich Funktionsweise von Neuronen (Nervenzellen) und des Nervensystems als Ganzes zunutze machen und solche technischen Systeme, welche mit dem Nervensystem interagieren.
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Die Entwicklung von neuro-morphen Algorithmen
Forscher der Universität Ulm arbeiten an der Entwicklung von neuro-morphen Algorithmen, die audio-visuelle Sensordaten nach dem Vorbild des menschlichen Gehirns verarbeiten sollen. Die Wissenschaftler möchten mit ihrem Projekt die neurobiologischen Funktionsweisen des Gehirns auf robotische und informationstechnische Systeme übertragen. Im Mittelpunkt steht dabei die Entwicklung sogenannter neuro-morpher Algorithmen, die sich in ihrer Struktur und Arbeitsweise am menschlichen Gehirn und seinen elementaren Bestandteilen, den Neuronen, orientieren.
Künstliche Intelligenz und das menschliche Gehirn
Computer sind schnelle Rechner - sie lösen Milliarden Rechenoperationen innerhalb einer Sekunde. Doch geht es um Vielseitigkeit und Effizienz, ist das menschliche Gehirn noch immer die mit Abstand beste Denkmaschine. Mühelos steuert es unsere Bewegungen und benötigt dabei gerade einmal so viel Energie wie eine 20 Watt-Glühlampe. Wie sich eine solche Leistung auf neue Technologien für Computer übertragen lässt, möchten Forscher wie Gianaurelio Cuniberti von der Technischen Universität Dresden herausfinden.
Forscher haben herausgefunden, dass im menschlichen Gehirn Nervenzellen arbeiten. Wir nennen sie Neuronen. Jedes dieser Neuronen ist mit unglaublich vielen Nachbarn verbunden. Das nennen wir Konnektivität. In modernen Computern nennt sich das zentrale Rechenelement Central Processing Unit, kurz CPU. Darin arbeiten ebenfalls viele kleine Zellen, die Transistoren. Doch jeder dieser Transistoren kommuniziert nur mit ganz wenigen Nachbarn. Außerdem ist die CPU lediglich für das Verarbeiten der Daten zuständig. Gespeichert werden sie an einem anderen Ort, nämlich im Arbeitsspeicher oder auf der Festplatte. In all unseren Computern und Smartphones finden Verarbeitung und Speicherung an getrennten Orten statt. Im menschlichen Gehirn hingegen gibt es diese Trennung nicht. Ja, denn das Gehirn verändert sich. Wenn wir zum Beispiel üben, einen Ball zu jonglieren, werden die Nervenbahnen, die an dieser Bewegung beteiligt sind, trainiert. Mit der Zeit leiten sie die elektrischen Impulse immer schneller weiter. Wir werden geschickter.
Die Zukunft der Gehirn-Roboter-Schnittstellen
Die Zukunft der Neurokybernetik könnte Gehirn-Implantate bringen, die das menschliche Lernen und Erinnerungsvermögen verbessern. Es wird auch damit experimentiert, Smartphone-Apps, Smart-Home-Geräte und Drohnen alleine über BCIs, also Gedankensteuerung, steuern zu können. Humanoide Roboter, so glaubt der russische Unternehmer, werden schon etwa 2020 in Massenproduktion hergestellt. "Sie werden beliebter sein als Autos", sagt Itzkow. Er ist überzeugt, dass Menschen sich dann zunehmend über Telepräsenz von Robotern vertreten lassen und so in die künstlichen Körper mental hineinwachsen. 2045 werde der künstliche Körper dem biologischen überlegen sein.
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