Mit Dem Armband Kann Das Gehirn Einen Computer Mit Einem Gedanken Und Einem Zucken Steuern

Ein elektronisches Armband wird für die mentale Kontrolle von Computern, Prothesen und anderen Geräten vorbereitet - alles ohne dass Sie ein Loch in Ihren Kopf bohren müssen.

Hin und wieder erscheint ein Nachrichtenartikel, der eine behinderte Person zeigt, die die Bewegung eines Computercursors oder einer Handprothese nur mit Gedanken steuert. Aber warum sollte sich jemand dafür entscheiden, ein Loch in seinen Schädel bohren zu lassen, um einen Computerchip in das Gehirn einzubetten, es sei denn, dies ist aufgrund einer schweren Erkrankung gerechtfertigt?

Möglicherweise gibt es jetzt eine praktischere Lösung, mit der Sie Ihr Gehirn an die Außenwelt anschließen können. CTRL-Labs, ein Start-up, das vom Erfinder von Microsoft Internet Explorer, Thomas Reardon, und seinen Partnern ins Leben gerufen wurde, hat einen neuartigen Ansatz für eine Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI) demonstriert, die ein an Ihrem Handgelenk befestigtes Gerät mit Signalen im Internet verbindet nervöses System.

Physiologisch, so Reardon, erfolgt die gesamte Informationsübertragung zwischen Menschen über die Feinmotorik. Die motorische Kontrolle von Zunge und Rachen gibt uns Sprache. Gesichtsausdruck und Körperhaltung vermitteln Emotionen und Absichten. Das Schreiben erfolgt durch Steuern von Fingern, die Kreide auf einer Tafel kratzen, Farbe streichen, Stift oder Bleistift manipulieren oder Tasten drücken. Wenn alles, was das Gehirn tut, um mit der Welt zu interagieren, Muskeln umfasst, warum nicht das motorische System verwenden, um Geist und Maschine direkter miteinander zu verbinden?

Eine Antwort auf diese Frage finden Sie in neun Stockwerken in Midtown Manhattan, wo sich Aufzugstüren zu den Büros von CTRL-Labs öffnen, einem Durcheinander von Laborbänken und Computerbildschirmen, die von einer hochenergetischen Gruppe besetzt sind, die sich mit der Manipulation von Roboterarmen und dem Löten beschäftigt Leiterplatten. Offroad-Fahrräder lehnen an der Wand und auf einem Tisch direkt vor dem Aufzug liegt eine Kopie des legendären Lehrbuchs Principles of Neural Science.

Josh Duyan, der Chief Strategy Officer des Unternehmens, begrüßt mich. Duyan verschwendet keine Zeit. Er legt etwas auf sein Handgelenk, das einem Halsband mit Stacheln ähnelt, das von einem Goth-Punker getragen werden könnte, außer dass die goldenen quadratischen Nieten an der Innenseite des Bandes gegen seine Haut gedrückt sind. Ein Flachbandkabel hängt vom Armband ab und reicht bis zu einem Laptop, auf dem eine weiße schaufensterpuppenartige Hand ihre Finger auf dem Bildschirm spreizt. Die Hand winkt, beugt ihr Handgelenk und macht eine Faust, die alle Duyans eigene Handbewegungen nachahmt, die durch das Armband erkannt werden.

Das Band spürt keine neuronalen Impulse. Stattdessen nimmt es Spannungsstöße auf, die von Muskelfasern im Arm herrühren, wenn sie sich zusammenziehen, ähnlich wie ein Elektrokardiogramm elektrische Potentiale des kontrahierenden Herzmuskels erkennt. Der Computer analysiert die elektrischen Entladungen von Arm- und Handmuskeln und berechnet daraus die Bewegung und die Greifkraft der Hand. Der Computer initiiert dann die gleichen Bewegungen in der virtuellen Hand. Die Bewegungen der Gliedmaßen auf dem Computerbildschirm könnten genauso gut von einem der echten schwarz-chromfarbenen Roboterarme ausgeführt werden, die wie Teile eines Iron Man-Anzugs herumliegen.

Als nächstes schaue ich mir eine Videodemonstration an. Darin tippt Reardon mit den Fingern auf eine leere Tischplatte, und auf dem Computerbildschirm erscheint eine Buchstabenfolge mit einer Geschwindigkeit von 20 Wörtern pro Minute. Ein Träger des Armbandes kann im Prinzip mit den Fingern in der Luft tanzen oder sie sogar in den Taschen zucken, um eine Nachricht zu erstellen. "Ihre Kinder werden nicht tippen", verkündet Reardon über das Schicksal herkömmlicher Tastaturen. In ähnlicher Weise könnte mit diesem Gerät ein Roboterarm manipuliert werden, um Dinge zu tun, bei denen Ihr eigener Arm ein Endoskop nicht durch die Aorta schlängeln könnte, um möglicherweise eine Operation an einer fehlerhaften Herzklappe durchzuführen, die in der Brust eines Patienten schlägt.

Derzeit verwenden die fortschrittlichsten Prothesen wie der von der FDA zugelassene DEKA-Arm eine Kombination von Schaltern, die durch Muskelzuckungen aktiviert und in einigen Fällen durch Sensoren ergänzt werden, um die durch eine Muskelkontraktion (EMG oder Elektromyographie) erzeugten Spannungsstöße zu erfassen. CTRL-Labs behauptet jedoch, diese Fähigkeit zur Erkennung von Clustern einzelner Muskelzellen, die sich zusammenziehen, erweitert zu haben. Dieser Erfolg öffnet und erweitert die Bandbreite der Gehirnleistung. Es ermöglicht die Manipulation elektronischer Geräte mit Gedanken unter Verwendung der fortschrittlichsten Technologie des Unternehmens.

Um zu verstehen, wie dieses BCI-System nur mit Gedanken betrieben werden kann, ist eine kurze Einführung in die Neurophysiologie der Muskelkontrolle erforderlich. Das Schlüsselkonzept besteht darin, zu verstehen, was eine „Motoreinheit“ist. Die auf der Haut aufgenommenen elektrischen Signale stellen eine Kakophonie von Tausenden einzelner Muskelfasern dar, die sich gleichzeitig im Unterarm zusammenziehen. In den letzten Jahren haben Neurophysiologen Methoden entwickelt, um mithilfe mathematischer Methoden das Brennen einzelner Muskelfasern unter den Tausenden zu isolieren, die aktiviert werden, wenn sich ein Muskel zusammenzieht. Der Bizeps enthält 580.000 Muskelfasern (pdf), die sich alle anstrengen, um eines zu tun: Ziehen Sie die Unterarmknochen in Richtung Ihres Körpers. Diese Armbewegung wird kontinuierlich im Millisekundenbereich moduliert, indem Hunderte kleiner Cluster von Muskelfasern einzeln reguliert werden, um zu bestimmen, wie schnell sich der Arm bewegt und mit welcher Kraft. Dieses Maß an Feinmotorik ist der Grund, warum die verkümmerten Bewegungen eines mechanischen Geräts eine Karikatur der anmutigen Flüssigkeitsbewegungen eines Tieres sind.

Es ist jedoch nicht erforderlich, dass jede der halben Millionen Muskelfasern in Ihrem Bizeps von einem separaten Motoneuron gesteuert wird. Tatsächlich gibt es 774 motorische Axone - die langen Fasern, die sich von Neuronen im Rückenmark aus erstrecken -, die alle Muskelfasern in unserem Bizeps steuern. Das Axon eines Motoneurons des Rückenmarks verzweigt sich und lässt eine kleine Gruppe von Muskelfasern zusammenziehen. Diese Anordnung - Muskelfasern, die von einem einzelnen Neuron gesteuert werden - wird als "Motoreinheit" bezeichnet, und das BCI-Gerät kann das Brennen einer einzelnen Motoreinheit erkennen. Diese Fähigkeit bedeutet, dass anstelle der 774 Motoreinheiten in unserem Bizeps, die nur eine Aktion ausführen und beispielsweise den Unterarm zurückziehen, jede Einheit im Prinzip eine separate Aufgabe ausführen kann.

Überlegen Sie, wie ein Pianist die Musik in seinem Kopf dem Hörer mitteilt, indem Sie auf einem Klavier auf die Tasten tippen. Mit diesem BCI-Armband könnte ein Pianist dasselbe mit nur einem Bild einer Tastatur tun und sich vorstellen, „Chopsticks“oder Chopin zu spielen. Es ist nicht notwendig, dass Muskeln Knochen bewegen und einen Holzhebel, eine Klaviertaste, kräftig drücken. Ein nicht wahrnehmbares Zucken einer mikroskopisch kleinen Motoreinheit reicht aus, um eine elektrische Entladung zu erzeugen, die von dieser Gehirn-Computer-Schnittstelle leicht erkannt werden kann. Anstatt sich auf die fünf Ziffern zu beschränken, die uns die Evolution gegeben hat, könnte ein Pianist spielen, indem er 12 virtuellen Fingern mentale Anweisungen erteilt, eine für jede Note auf der chromatischen Skala (alle weißen und schwarzen Tasten in einer Oktave). Jetzt sind die rasenden Akkorde und der Schneesturm der Arpeggios in Chopins Polonaise ein Kinderspiel. Natürlich müsste der Pianist lernen, die Muskelfasern in der Hand auf neue Weise zu aktivieren, aber das Erlernen der 12-stelligen Steuerung würde sich nicht wesentlich vom Erlernen der 5-stelligen Steuerung unterscheiden. Denken Sie an Spinnen oder Tausendfüßer, von denen keine über sich selbst stolpert, obwohl sie nur mit Insektenhirnen ausgestattet sind.

Bisher konnten Forscher bis zu 25 einzelne Motoreinheiten nachweisen. Reardon behauptet, dies mit etwa 100 Einzeleinheiten weit übertroffen zu haben, "aber wir gehen davon aus, dass wir diese Zahl in Kürze durchbrechen werden", sagt er. "Das sind viele Finger", bemerkt er.

Jose Contreras-Vidal, Direktor des Labors für nichtinvasive Gehirn-Maschinen-Schnittstellensysteme an der Universität von Houston, sagt, wenn CTRL-Labs die Kontrolle über Hunderte einzelner Motoreinheiten in Echtzeit erreicht haben, wäre dies eine bedeutende Leistung. „Die Herausforderung wird darin bestehen, die beanspruchten Hunderte einzelner Motoreinheiten zur Steuerung einer Maschine abzubilden“, fügt er hinzu. "Ich denke, es wäre sehr schwierig, keine Bewegung zu benötigen." Es war zwar nicht bekannt, ob es dem Gehirn überhaupt möglich ist, seine motorischen Einheiten unabhängig zu steuern, aber genau das hat CTRL-Labs herausgefunden.

Neurofeedback wird verwendet, um das Gehirn und den Computer so zu trainieren, dass sie miteinander kommunizieren. Der Vorgang ist so mühelos wie das Spielen eines Videospiels. Duyan stellt sich nur vor, wie er versucht, zum Beispiel mit dem Zeigefinger des Computer-Mannequins zu zeigen, ohne tatsächlich mit seiner eigenen Hand zu zeigen. Was in seinem motorischen Kortex geschieht, ist außerhalb seiner Wahrnehmung. Aber als die Schaufensterpuppe mit dem Finger zeigt, lernte sein Gehirn, diese motorische Einheit, die feuert, mit dieser Handbewegung in Verbindung zu bringen. "Sie trainieren auch den Computer", sagt Reardon. Schließlich entwickelt sich die Fähigkeit, die Hand zu bewegen, unbewusst und automatisch.

Das Gerät scheint sich in einem frühen Entwicklungsstadium zu befinden, daher durfte ich das Armband nicht testen. Das Erlernen des Gebrauchs des Geräts erfordert Übung - ein Prozess des Neurofeedbacks, bei dem sowohl der Computer als auch das Gehirn des Benutzers geringfügige Anpassungen aneinander vornehmen. Und mit der Übung passiert viel. Patrick Kaifosh, ein Mitbegründer des Unternehmens, der ein erfahrener Experte ist, setzt sich, schnallt sich das Gerät an und beginnt, auf seinem Handy eine Partie Asteroiden zu spielen. Er fliegt mit seinem Raumschiff über den Bildschirm, schießt Eindringlinge mit seinen Lasern ab und weicht eingehenden Raketen aus von Außerirdischen. Währenddessen ruht seine Handfläche regungslos auf dem Tisch, mit nur dem geringsten Zucken der Haut hier und da, während er ein Gespräch mit mir führt.

"Wie fühlt es sich an?" Ich frage.

Verblüfft über die Frage, die er mit seiner eigenen Frage beantwortet: „Wie fühlt es sich für Sie an, über das Bewegen Ihrer Finger nachzudenken?“.

Tatsächlich bin ich jetzt mühelos über meine Fingerspitzen mit meinem Computer verbunden und drücke automatisch 26 Tasten des Alphabets, während ich meine Gedanken an Sie weitergebe. Was wäre, wenn ich statt nur zwei Dutzend Schlüsseln Hunderte hätte, die alle automatisch von meinem Gehirn gesteuert würden?