Die Kraft der Gedanken

14. September 2005

Weltweit arbeiten verschiedene Forschergruppen an der Entwicklung einer direkten Schnittstelle zwischen menschlichem Gehirn und Computer. Ziel ist die Schaffung einer Kommunikations- und Kontrollmöglichkeit, die allein ĂŒber Gedanken und ohne körperliche Bewegungen funktioniert. Insbesondere fĂŒr Menschen mit LĂ€hmungen könnte dieses System die Bedienung und Steuerung von technischen GerĂ€ten ermöglichen.

Die Idee

Die grundlegende Idee des Brain-Computer Interfaces (BCI) besteht darin, dass Menschen Maschinen steuern, indem sie die Befehle lediglich denken und keine entsprechenden Bewegungen ausfĂŒhren. Der entscheidende Unterschied zwischen einer solchen direkten Schnittstelle zwischen Computer und dem menschlichen Gehirn und anderen Mensch-Maschine-Schnittstellen ist die vollkommene UnabhĂ€ngigkeit von einer muskulĂ€ren Reaktion.

Allein ĂŒber die durch Gedanken erzeugte AktivitĂ€t des Gehirns soll eine alternative Kommunikations- und Kontrollmöglichkeit fĂŒr Computer geschaffen werden. Beispielsweise die Vorstellung einer Bewegung der rechten oder der linken Hand könnte dann zur Auswahl zwischen zwei Alternativen genutzt werden.

Biologische Grundlagen

Die Entwickler der Gehirn-Computer-Schnittstelle machen sich dabei den biologischen Umstand zu Nutze, dass sich bereits kurz vor der eigentlichen Bewegung das so genannte Bereitschaftspotential (BP) aufbaut. In diesem Potential wird die vor-motorische Planung von willkĂŒrlichen Bewegungen sichtbar.
Auch wenn eine Bewegung nicht ausgefĂŒhrt wird, zeigt sich eine entsprechende VerĂ€nderung der AktivitĂ€t des Gehirns in den beteiligten Arealen. So reicht schon die mentale Vorstellung einer Verhaltensweise fĂŒr eine VerĂ€nderung der HirnaktivitĂ€t aus. Ganz ohne dass es einer motorischen AusfĂŒhrung bedarf, kann sich also eine Verhaltensweise in den Hirnströmen widerspiegeln. Unterschiedliche mentale Vorstellungen produzieren verschiedene Muster von Hirnsignalen.

Allerdings produziert das menschliche Gehirn stĂ€ndig ein diffuses Gemisch von Informationen. Aus diesem Gemisch mĂŒssen zunĂ€chst die relevanten Signale herausgefiltert werden. Außerdem mĂŒssen diese Signale dann auch noch eindeutig einem technischen Steuerungssignal zugeordnet werden.

Technische Umsetzung

Die elektrische AktivitĂ€t des Gehirns lĂ€sst sich mittels an der Kopfhaut befestigten Elektroden registrieren. Meistens wird die GehirnaktivitĂ€t dabei in Form des Elektroenzephalogramms (EEG) aufgezeichnet. Das EEG bietet nach Meinung der vieler Forscher in diesem Bereich einige Vorteile gegenĂŒber anderen Messmethoden.
Die von den Elektroden gemessenen Hirnströme werden anschließend verstĂ€rkt und an einen Computer weitergeleitet. Dieser setzt die empfangenen Signale schließlich in technische Steuerungssignale um. Zeitlich ist der Computer bei der Auswertung und Umsetzung der Signale gegenĂŒber dem Menschen klar im Vorteil. Die normale Weiterleitung von Signalen des Gehirns an den menschlichen Muskelapparat erfolgt verglichen mit den heutigen Möglichkeiten eines Computers eher langsam.

Erlernen der Steuerung

ZunĂ€chst mĂŒssen Benutzer und Computer aneinander angepasst werden, damit eine korrekte Umsetzung der Befehle möglich wird. Die Schnittstelle zwischen Gehirn und Computer kann dabei entweder computer- oder benutzergesteuert gestaltet werden.
Im ersten Fall gibt der Computer vor, wann und wie die Vorstellung eines Befehls erfolgen soll. Momentan mĂŒssen Benutzer dafĂŒr eine mehrwöchige Trainingsphase durchlaufen. Sie erlernen dabei die Steuerung ihrer eigenen HirnaktivitĂ€t, damit ihre mentalen Befehle vom System richtig erkannt und umgesetzt werden können.
Wesentlich einfacher fĂŒr den Benutzer ist es hingegen, wenn er selbst entscheiden kann, wann und wie er sich einen Befehl vorstellt. In diesem Fall muss der Computer in einem Trainingsprozess erlernen, aus den VerĂ€nderungen im HirnaktivitĂ€tsmuster eines bestimmten Benutzers den entsprechenden Befehl herauszulesen. Solche benutzergesteuerten Schnittstellen sind in der Entwicklung komplizierter, erleichtern dem Benutzer die Bedienung allerdings erheblich.

Anwendungsbereiche

Eine große Zielgruppe fĂŒr diese Interaktionsform könnten nach der Ansicht von Forschern vor allem Menschen mit körperlichen Krankheiten und Behinderungen sein. Beispielsweise fĂŒr die Bedienung von Computern reichen die Ideen von einer Bewegung des Cursors und der Möglichkeit der Auswahl zwischen Alternativen bis hin zu einer „mentalen Schreibmaschine“. Auch andere technische GerĂ€te ließen sich mit dem Computer verbinden und auf diese Art und Weise steuern. Weitere Überlegungen zur Anwendung beschĂ€ftigen sich mit einer Steuerung von Prothesen oder einer ÜberbrĂŒckung der gestörten Verbindung zwischen Gehirn und Muskeln bei QuerschnittsgelĂ€hmten.
Aber auch fĂŒr die Automobilindustrie könnte diese Technik beispielsweise fĂŒr den Insassenschutz interessant sein. FĂŒr die Unterhaltungsindustrie sehen einige Forscher die Möglichkeit, gĂ€nzlich neuartige Computerspiele zu entwickeln.

Fazit

Die ForschungsbemĂŒhungen zur Entwicklung von Brain-Computer Interfaces haben in den letzten Jahren sehr stark zugenommen. Weltweit arbeiten zurzeit mehrere interdisziplinĂ€re Forschergruppen an unterschiedlichen Projekten in diesem Bereich. Insgesamt erscheinen die bisherigen AnsĂ€tze recht viel versprechend. Allerdings warnen einige Forscher vor ĂŒbersteigerten Erwartungen an diese Technik, da das Erkennen von Befehlen zurzeit nur grob und ungenau gelingt. Es sei fraglich, ob und wann solche nicht-invasive Methoden in der Lage sein werden, auch feine Unterschiede in der GehirnaktivitĂ€t richtig zu erkennen und zu deuten.

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