Einleitung
Die Verbindung des menschlichen Gehirns mit Computern ist ein faszinierendes und vielversprechendes Feld der Forschung. Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCIs) eröffnen innovative Wege zur Behandlung neurologischer Erkrankungen, zur Wiederherstellung verlorener Funktionen und zur Erweiterung menschlicher Fähigkeiten. In den letzten Jahren hat es bedeutende Fortschritte in der BCI-Technologie gegeben, die neue Möglichkeiten für die Zukunft der Neurotechnologie eröffnen.
Grundlagen der neuronalen Informationsverarbeitung
Um die Funktionsweise von Gehirn-Computer-Schnittstellen zu verstehen, ist es wichtig, die Grundlagen der neuronalen Informationsverarbeitung zu kennen. Neuronen, die grundlegenden Bausteine des Gehirns, kommunizieren miteinander über elektrische und chemische Signale.
Chemische und elektrische Signale
Eingehende Signale, meist chemischer Natur, werden im Neuron in elektrische Potenziale umgewandelt. Wenn die Botschaft wichtig ist und genügend wichtige Botschaften zusammenkommen, sendet das Neuron selbst ein Aktionspotenzial.
Aktionspotenziale
Aktionspotenziale sind sehr schnelle Änderungen des elektrischen Potenzials über der Zellmembran von erregbaren Zellen wie Neuronen oder Muskelzellen. Dieses Ereignis ist die Grundlage für die Informationsleitung entlang des Axons der Nervenzelle. Das Aktionspotenzial setzt sich entlang der Zellmembran fort und entsteht nach dem Alles-oder-Nichts-Prinzip nur dann, wenn die Zelle ausreichend stark erregt wurde.
Synaptische Übertragung
Die Informationsverarbeitung im Gehirn hängt davon ab, dass Netzwerke von Nervenzellen über Synapsen miteinander im Austausch stehen. Die meisten Synapsen kommunizieren chemisch miteinander, wobei Neurotransmitter die Rolle von Botenstoffen übernehmen. Diese Neurotransmitter wandern von der Synapse des sendenden Neurons über einen synaptischen Spalt zu einer postsynaptischen Membran, wo sie an Rezeptorproteine binden und erregend oder hemmend wirken können.
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Gehirn-Computer-Schnittstellen: Die Technologie
Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCIs), im Englischen Brain-Computer Interfaces (BCIs) genannt, nutzen die Tatsache, dass das Gehirn elektrische Felder erzeugt. Diese Felder lassen sich auf der Kopfhaut messen. Anschließend übersetzen BCIs die Hirnaktivität in Steuersignale externer Geräte wie Prothesen, Roboter oder Exoskelette. Menschen mit schweren Lähmungen kann dies Bewegungen oder Kommunikation ermöglichen. Sogenannte bidirektionale BCIs erlauben es darüber hinaus, Hirnaktivität gezielt elektrisch anzuregen, beispielsweise um ein Tastempfinden beim Steuern einer Prothese zu simulieren.
Invasive BCIs
Invasive BCIs erfordern die Implantation von Elektroden oder Sensoren in den Schädel, was aufwendig ist und zahlreiche Risiken birgt. Ein Beispiel für ein invasives BCI ist das von Neuralink entwickelte Gehirnimplantat.
Neuralink-Implantat: Das Gehirnimplantat von Neuralink ist etwa so groß wie eine Ein-Euro-Münze. Mit insgesamt 1024 Elektroden überwacht es als Computer-Hirn-Schnittstelle die Neuronenaktivitäten und generiert daraus konkrete Befehle für Endgeräte wie Smartphones. Der Chip von Neuralink wird mithilfe eines Roboters operativ in das Gehirn eingesetzt. Er ist ungefähr so groß wie eine Ein-Euro-Münze, verfügt über 1024 Elektroden und wird von einer kabellos aufladbaren Lithiumbatterie betrieben. Neuralink baut dabei auf dem Konzept der tiefen Hirnstimulation auf. Die gemessenen elektrophysiologischen Muster stellen dabei ein Abbild der Gedanken dar. Aus diesen Mustern generiert das Implantat konkrete Befehle, die es an Endgeräte wie beispielsweise Smartphones sendet. Der Chip könnte so die Verbindung zwischen Gedanken und körperlichen Reaktionen überwachen oder sogar beeinflussen. Gelingt das, könnten auf diese Weise zum Beispiel Gelähmte durch ihre Gedanken ein Exoskelett steuern oder Menschen mit Locked-in-Syndrom mit ihrer Außenwelt kommunizieren.
Nicht-invasive BCIs
Nicht-invasive BCIs messen die Hirnaktivität von außerhalb der Knochendecke, beispielsweise mittels Elektroenzephalographie (EEG). Die Genauigkeit dieser BCIs ist jedoch bislang begrenzt.
Quantensensoren: Eine vielversprechende Alternative sind Quantensensoren, die Hirnaktivität mit einer wesentlich höheren Genauigkeit an der Kopfoberfläche messen können als EEG oder andere nichtinvasive Methoden. Grundlage der Hightech-Sensoren sind gasförmige Atome, die als Magnetfeldsonden fungieren und die auf die elektrischen Hirnsignale reagieren. Man nennt sie optisch gepumpte Magnetometer (OPM).
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Bidirektionale BCIs
Sogenannte bidirektionale BCIs erlauben es darüber hinaus, Hirnaktivität gezielt elektrisch anzuregen, beispielsweise um ein Tastempfinden beim Steuern einer Prothese zu simulieren. Trotz rasanter Fortschritte im Bereich der Neurotechnologie existiert aktuell noch kein bidirektionales BCI auf der Basis nichtinvasiver, also nicht operativ eingreifender, Methoden. Grund dafür ist einerseits die notwendige Empfindlichkeit der Sensoren und andererseits die Stärke der Stimulation, die erforderlich ist, um das Gehirn durch den Schädelknochen hindurch anzuregen. Dabei auftretende Störsignale lassen eine zuverlässige Messung und Interpretation von Hirnsignalen noch nicht zu.
Temporale Interferenz-Magnetstimulation (TIMS): Ein neues Hirnstimulationsverfahren, TIMS, soll hierbei eine Schlüsselrolle spielen. Es basiert auf sich überlagernden, gegenseitig verstärkenden oder abschwächenden Magnetfeldern.
Therapeutische Anwendungen von BCIs
Von medizinischem Nutzen sind BCI-Systeme unter anderem im Bereich der neurologischen Rehabilitation, beispielsweise wenn es darum geht, die Kommunikations- oder die Bewegungsfähigkeit schwerstgelähmter Menschen wiederherzustellen. Die therapeutischen Potenziale von BCI-Systemen hat er bereits frühzeitig erkannt. Jenseits des Wiederherstellens sensomotorischer Funktionen sollen sie nun auch in der Behandlung psychiatrischer Erkrankungen zum Einsatz kommen.
Erweiterung des therapeutischen Spektrums
Menschen mit neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen zu neuer Lebensqualität zu verhelfen, ist Prof. Soekadar ein Anliegen. Mit der aktuellen Förderung durch den Europäischen Forschungsrat will der Berliner Neurowissenschaftler nun entscheidende Hürden auf dem Weg zu einer sicheren und effektiven bidirektionalen Gehirn-Computer-Schnittstelle nehmen.
Behandlung psychiatrischer Erkrankungen
Das Ziel ist dabei, das System insbesondere auch für die Behandlung psychiatrischer Erkrankungen, beispielsweise Depressionen, zugänglich zu machen. So soll es möglich werden, in Abhängigkeit bestimmter Hirnzustände die Aktivität auch tiefer Areale des Gehirns gezielt anzuregen. Der Einsatz von hochauflösenden Quantensensoren soll dabei eine Messgenauigkeit erreichen, die bisher nur invasiven Verfahren vorbehalten war. „Wir hoffen mit dem System Aktivitätsmuster im Gehirn zu erkennen, die für das Auftreten bestimmter klinischer Symptome verantwortlich sind. In einem zweiten Schritt soll das Auftreten dieser Symptome über einen geschlossenen Neuromodulationskreislauf gezielt beeinflusst werden“, so der Wissenschaftler. Die Tatsache, dass es sich um ein nichtinvasives System handelt, ist eine wichtige Voraussetzung für einen breiten klinischen Einsatz, der das Leben vieler Patient:innen nachhaltig verbessern kann.
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Das Human Brain Project und die BRAIN Initiative
Über eine Milliarde Euro und womöglich mehr als drei Milliarden Dollar werden in den nächsten zehn Jahren in die Hirnforschung gesteckt. Damit befindet sich der Neurowissenschaftler auf Augenhöhe zum Teilchenphysiker. Das europäische Human Brain Project und die amerikanische BRAIN Initiative haben sich für die nächsten zehn Jahre hohe Ziele gesetzt: In Amerika geht es darum, jedes Spike eines jeden Neurons zu verfolgen, in Europa sogar um die Simulation eines menschlichen Gehirns.
Ziele und Kritik
Beides klingt sehr nach Science Fiction und ruft entsprechend viele Kritiker auf den Plan. Tatsächlich fehlt es sogar noch an vielen notwendigen Methoden. Dass dazu mit mehreren Milliarden unglaublich viel Geld in die Hand genommen wird, sorgt für weitere Kritik, denn diese Form von Big Science ist schwer zu koordinieren und das Geld wäre womöglich andernorts besser investiert. Gleichwohl gab es in der Geschichte von Wissenschaft und Technik bislang wenig Vergleichbares. Das lässt für die Laufzeit der Projekte auf spannende Ergebnisse hoffen.
Das Human Brain Project (HBP)
Das Human Brain Project (HBP) verdankt seine Existenz dem vielleicht größten Wissenschaftswettbewerb aller Zeiten: je bis zu eine Milliarde Euro für zwei riskante Forschungsprojekte mit hohem Potenzial. Berater wie auch einer der 30 Kandidaten war der Südafrikaner Henry Markram von der École Polytechnique Fédérale in Lausanne mit einer - darauf konzentrierte sich die Tagespresse - Simulation des menschlichen Gehirns. Wenn dies überhaupt machbar ist, dann ist Markram wohl der richtige Mann: In Lausanne kann man im Blue Brain Project (BBP) bereits seit mehreren Jahren einige Zehntausend vernetzte Neurone aus dem Cortex einer Ratte begutachten.
Die BRAIN Initiative
Gestartet als Brain Acitivity Map präsentiert sich die BRAIN Initiative („Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies“) bislang als Begriff, der nur langsam an Konturen gewinnt. Weg und Ziel sind nur vage formuliert, aber immerhin sind die Partner bekannt, darunter als Koordinator die National Institutes of Health (NIH) und federführend das Weiße Haus.
Fortschritt dank gehirn-inspirierter KI und Digitalem Zwilling
Mit 38 Millionen Euro fördert die EU-Kommission bis 2026 das Projekt Ebrains. Die europäische Forschungsinfrastruktur Ebrains erforscht die Komplexität des menschlichen Gehirns mit digitalen Methoden und Analyse-Tools. Mit dem von der EU bereitgestellten Geld wird die Infrastruktur in den nächsten drei Jahren anspruchsvolle Technologien weiterentwickeln, um die Forschung der Neurowissenschaften, Medizin sowie in der Gehirn-inspirierten KI und Computertechnik zu unterstützen. Den erfolgreichen Antrag für das nun startende Projekt »Ebrains 2.0« hat die Hirnforscherin Prof. Mit dem Schwerpunkt auf der Entwicklung von Werkzeugen, Modellen, Simulationen und Workflows erleichtert Ebrains die Erforschung von Gehirnorganisation, Krankheitsmechanismen und Biomarkern. Die offene Plattform unterstützt die Entwicklung von computergestützten Krankheitsmodellen und fördert die Zusammenarbeit, Vielfalt der Zugänge und Integration in den Neurowissenschaften. »Der Förderbescheid ist ein Meilenstein für die Ebrains-Forschungsinfrastruktur. Im Projekt kooperieren 59 Partnereinrichtungen aus 16 europäischen Ländern. Koordinator ist die EBRAINS AISBL, eine gemeinnützige Organisation, die im Rahmen des Human Brain Project in Brüssel gegründet wurde.
Innovationen in der Neurochirurgie: Das Orbeye-Mikroskop
Das Besondere bei Hirn-Operationen: Während bei minimalinvasiven Eingriffen an anderen Regionen des Körpers („Schlüsselloch-OPs“) die Operateure gern über mehrere Schnitte und damit Zugänge in den Körper Kamera sowie OP-Instrumente einbringen, ist bei Operationen am Gehirn aufgrund der fragilen Gewebestruktur nur ein Zugang möglich. Hierüber müssen dann aber alle nötigen Funktionen, also sowohl „Hineinschauen“ als auch „Arbeiten“, bestmöglich sein. Neurochirurgen arbeiten schließlich auf engstem Raum in einem hochgradig komplexen Umfeld des menschlichen Körpers, was außergewöhnliche Anforderungen an optische Unterstützungssysteme stellt.
Das Orbeye-Mikroskop
Das Orbeye ist ein Mikroskop an einem in alle Richtungen schwenkbaren Arm, das von außen über dem OP-Feld wacht. Das Mikroskop überträgt seine Bilder samt Bewegungen der OP-Instrumente auf große Monitore, dank derer die Operateure eine perfekte Sicht haben. „Das Orbeye erlaubt uns neben den herkömmlichen Fluoreszenz-Darstellungen des Hirngewebes in Infrarot und Blaulicht gerade diese besonderen venösen Gefäßfehlbildungen, Kavernome genannt, durch eine besondere Technik vom gesunden Hirngewebe abzugrenzen. Hier kommt ein enges Frequenzband von Wellenlängen aus Grün und Blau zum Einsatz (‚narrow-band-imaging‘ - NBI), das kleinste venöse Strukturen bis in eine Tiefe von 2mm hervorhebt. Für unsere Patienten ist das bei der chirurgischen Behandlung ihres Kavernoms eine zusätzliche Sicherheit“, so Prof. Müller. Das Orbeye ist eine Leihstellung der Firma Olympus und wird im Klinikum Dortmund als erster Neurochirurgischen Klinik von Nordrhein-Westfalen eingesetzt. „Mit dieser neuen Exoskop-Technologie öffnet sich für die Neurochirurgie eine völlig neue Operationsdimension in einer Auflösung weit besser als die herkömmlich HD-Bildqualität, die schlussendlich vor allem unseren Patienten eine noch bessere Versorgung bietet“, sagt Prof.
Herausforderungen und ethische Überlegungen
Trotz der vielversprechenden Fortschritte in der BCI-Technologie gibt es noch eine Reihe von Herausforderungen und ethischen Überlegungen, die berücksichtigt werden müssen.
Technische Herausforderungen
- Verbesserung der Signalqualität: Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von BCIs hängt von der Qualität der erfassten Hirnsignale ab. Es sind weitere Fortschritte in der Sensortechnologie und der Signalverarbeitung erforderlich, um Störungen zu reduzieren und die relevanten Informationen zu extrahieren.
- Entwicklung nicht-invasiver Methoden: Invasive BCIs bergen Risiken und sind nicht für alle Patienten geeignet. Die Entwicklung von hochgenauen, nicht-invasiven BCIs ist daher ein wichtiges Ziel.
- Anpassung und Training: Die Verwendung von BCIs erfordert oft ein intensives Training, um die Steuerung der Geräte zu erlernen. Es sind benutzerfreundlichere und anpassungsfähigere Systeme erforderlich, um die Akzeptanz und den Nutzen von BCIs zu erhöhen.
Ethische Überlegungen
- Datenschutz und Sicherheit: BCIs erfassen sensible Informationen über die Hirnaktivität. Es ist wichtig, den Datenschutz und die Sicherheit dieser Daten zu gewährleisten, um Missbrauch zu verhindern.
- Autonomie und Kontrolle: Die Verwendung von BCIs kann Fragen nach der Autonomie und Kontrolle des Einzelnen aufwerfen. Es ist wichtig, sicherzustellen, dass die Nutzer die volle Kontrolle über ihre Gedanken und Handlungen behalten.
- Gleichberechtigung und Zugang: BCIs sind teure Technologien, die möglicherweise nicht für alle zugänglich sind. Es ist wichtig, sicherzustellen, dass alle Menschen, unabhängig von ihrem sozialen Status, Zugang zu diesen Technologien haben.