Mit Verwandten sprechen, ein Computerspiel spielen und eine Prothese steuern – all das ist selbst möglich
Wie kehren gelähmte Menschen ins normale Leben zurück?
James Johnson hofft, dass er sich eines Tages hinsetzen kannwieder hinter dem Lenkrad. Wenn er dies tut, dann nur mit der Kraft seiner Gedanken. Im März 2017 brach sich Johnson bei einem Unfall das Genick und war von den Schultern abwärts fast vollständig gelähmt.
Johnsons Rehabilitationsspezialisten stellten ihn vorvon Forschern des California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena. Er wurde eingeladen, an einer klinischen Studie einer Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI oder BCI) teilzunehmen.
Zunächst unterzog er sich einer neurochirurgischen Operation undimplantierte zwei Elektrodengitter in die Großhirnrinde. Diese Elektroden zeichnen das Feuern von Neuronen im Gehirn auf. Als nächstes nutzen Forscher Algorithmen, um seine Gedanken und Absichten zu entschlüsseln. Das System nutzt dann Johnsons Gehirnaktivität, um Computeranwendungen zu bedienen oder ihm zu helfen, sich in eine bestimmte Richtung zu bewegen.
Als Johnson zum ersten Mal die im November 2018 implantierte Gehirn-Computer-Schnittstelle nutzte, konnte er einen Cursor über den Bildschirm bewegen. Dazu musste man nur darüber nachdenken.
Seitdem nutzt Johnson den BCI zur Kontrolleein Roboterarm zum Spielen von Videospielen und zum Fahren eines simulierten Autos in der virtuellen Realität. Johnson ist einer von 35 Menschen, denen langfristig ein BCI ins Gehirn implantiert wurde. Nur etwa 12 Labore führen solche Studien durch, aber die Zahl steigt.
Wie gut lesen Geräte Gedanken und helfen Ihnen, das zu tun, was Sie wollen?
In den letzten fünf Jahren hat sich das Spektrum der Fähigkeiten erweitertmit dem BCI wiederhergestellt werden kann, hat sich deutlich ausgeweitet. Erst im Jahr 2021 beschrieben Wissenschaftler einen Fall, bei dem ein Patient einen Roboterarm nutzte, der sensorische Rückmeldungen direkt an sein Gehirn sendete. Auch eine Sprechprothese für diejenigen, die aufgrund eines Schlaganfalls die Fähigkeit zum Sprechen verloren haben. Und ein Mann, der in Rekordgeschwindigkeit kommunizieren konnte, während er sich vorstellte, er würde mit der Hand schreiben.
Kann Sprache wiederhergestellt werden?
„Eine der schwerwiegendsten Folgen einer Hirnverletzung ist der Verlust der Kommunikationsfähigkeit“, sagt Edward Chang, Neurochirurg und Neurowissenschaftler an der University of California in San Francisco.
Zu Beginn der Arbeit mit dem BCI konnten die Teilnehmer umziehenCursor auf dem Computerbildschirm, stellen sich die Bewegung ihrer Hand vor und wie sie die Tasten drücken. Diese Cursor-basierte Kommunikation war in der Lage, etwa 40 Zeichen pro Minute zu übertragen, ein Rekord, der 2017 von einem Team unter der Leitung von Krishna Shena, einem Neurowissenschaftler an der Stanford University in Kalifornien, aufgestellt wurde.
Dann, im Jahr 2021, berichtete dieselbe Gruppe über einen neuen Ansatz, bei dem ein Mitglied, Dennis Degrare, doppelt so viele Charaktere vermitteln konnte.
Shenoys Kollege Frank Willett schlug Degray vorStellen Sie sich vor, er schreibt die Wörter von Hand, während Forscher Daten aus seinem motorischen Kortex untersuchen. Das System hatte manchmal Schwierigkeiten, Signale zu parsen, die Buchstaben betrafen, die den Buchstaben optisch ähnlich waren – r, n und h, aber im Allgemeinen konnte es alle Buchstaben leicht identifizieren.
Der Dekodierungsalgorithmus zeigte eine Genauigkeit von 95 %, aber bei Verwendung der automatischen Korrektur, ähnlich der in einem normalen Smartphone, stieg die Genauigkeit auf 99 %.
Aber es gibt noch eine andere Möglichkeit, Informationen zu übermitteln.Edward Chang, ein Neurochirurg und Neurowissenschaftler an der University of California, San Francisco, entwickelte einen Ansatz, der sich auf das Sprechen statt auf das Schreiben konzentriert. So wie Text aus einzelnen Buchstaben besteht, besteht Sprache aus einzelnen Einheiten, die Phoneme genannt werden. Im Englischen gibt es ungefähr 50 Phoneme: Jedes kann durch eine bestimmte Bewegung des Vokaltrakts, der Zunge und der Lippen erreicht werden.
Changs Gruppe arbeitete zunächst daran, einen Teil zu studierenDer Gehirnbereich, der Phoneme und damit Sprache erzeugt, ist eine kaum erforschte Region, die dorsale Kehlkopfrinde genannt wird. Forscher haben ein Sprachdekodierungssystem entwickelt, das die dekodierten Signale des Benutzers als Text auf dem Bildschirm anzeigt. Im Jahr 2021 berichtete die Gruppe, dass das Gerät es einer Person ermöglichte, mit einem vorgegebenen Satz von 50 Wörtern zu kommunizieren. Die Geschwindigkeit betrug 15 Wörter pro Minute.
In diesem Fall nahmen die Wissenschaftler keine Daten aufeinzelne Neuronen. Stattdessen verwendeten sie Elektroden, die auf der Oberfläche der Großhirnrinde platziert wurden und die durchschnittliche Aktivität aller Neuronen erfassen. Die Signale sind nicht so genau wie die von Elektroden, die in die Großhirnrinde implantiert werden, aber der Zugang ist weniger invasiv.
Gibt es solche Geräte im öffentlichen Bereich?
Heutzutage die meisten Implantatewelche die Aktivität einzelner Neuronen aufzeichnen, wurde von Blackrock Neurotech entwickelt. Sie sind Entwickler medizinischer Geräte mit Sitz in Salt Lake City. Doch in den letzten sieben Jahren ist das kommerzielle Interesse an BCIs dramatisch gestiegen. Beispielsweise startete der Unternehmer Elon Musk 2016 NeuraLynx in San Francisco, um ein ähnliches Gerät zu entwickeln. Das Unternehmen sammelte 363 Millionen US-Dollar.
Vorstandsvorsitzender von Blackrock NeurotechFlorian Solzbacher sagte, er wolle das BCI-System innerhalb eines Jahres auf den Markt bringen. Im November 2021 startete die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA), die Medizinprodukte reguliert, ein beschleunigtes Prüfverfahren für die Produkte des Unternehmens, um deren Markteinführung zu erleichtern. Vielleicht wird ihre Schnittstelle das erste Massenprodukt in diesem Bereich.
Was weiter?
Experten betonen, dass EntwicklerKommerzielle BCI-Geräte müssen über Monate oder sogar Jahre hinweg ohne fachmännische Aufsicht betrieben werden. Es ist auch wichtig sicherzustellen, dass die Benutzeroberfläche für jeden Benutzer gleich gut funktioniert.
Sie stellten auch fest, dass Fortschritte beim maschinellen Lernen zur Lösung des ersten Problems beitragen werden. Aber eine universelle Effizienz unabhängig vom Benutzer zu erreichen, ist eine schwierigere Aufgabe.
Darüber hinaus betonen Ethiker diesdass Benutzer die volle Kontrolle über Gerätedaten behalten sollten. Moderne Technologien können die privaten Gedanken der Menschen nicht entschlüsseln, aber die Entwickler haben Daten über alle Dialoge des Benutzers sowie wichtige Daten über die Gesundheit ihres Gehirns. Es wird darauf hingewiesen, dass IMC eine neue Art von Cybersicherheitsrisiko ist.
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