Ein Brain-Computer-Interface (BCI) ist ein Gerät, das Gehirnsignale direkt in Befehle zur Steuerung von Computersoftware übersetzt, z. B. für einer Texteditor oder für Geräte, z. B. einen Fernseher. Hier erklären wir, für wen BCIs geeignet sind und wie ein BCI funktioniert. Wir beschreiben die verschiedenen Arten von BCIs. Unser Fokus liegt dabei auf BCIs für Menschen, die an schwersten Lähmungen leiden.

Was ist ein BCI?
Wer sind die Zielgruppe von BCIs?
Wie funktioniert ein BCI?
Der Stand der Technik bei BCIs für Gelähmte

Was ist ein BCI?

Ein BCI ist ein Gerät, das aus Sensoren besteht, die Gehirnsignale messen (oft in Form von “Elektroden”), einem Verstärker, um die schwachen Gehirnsignale messbar zu machen, und einem Computer, der die Gehirnsignale in Befehle zur Steuerung von Computerprogrammen und/oder Geräten übersetzt. Die Komponenten von BCIs können mobil und/oder tragbar sein.
Bei den BCI-gesteuerten Geräten kann es sich um Kommunikationshilfsmittel für Gelähmte sein, Computerspiele oder Spielzeug (z. B. einem kleinen Hubschrauber) handeln.

Wer sind die Zielgruppe von BCIs?

Derzeit sind viele Gruppen damit beschäftigt, BCIs für eine Vielzahl von Anwendungen und Nutzergruppen zu entwickeln. Viele der Anwendungen sind für den vorübergehenden Einsatz vorgesehen und erfordern keine Implantation. Rehabilitationsgeräte, die Menschen helfen, sich von Verletzungen zu erholen, und Spielcontroller für Computerspiele für gesunde Menschen sind Beispiele dafür. Einige BCIs sollen eine Funktion dauerhaft ersetzen, die aufgrund von Verletzungen oder Krankheiten verloren gegangen ist oder beeinträchtigt wurde (z. B. der Verlust der Fingerfertigkeit bei Schlaganfallpatienten).
Bei BCIs wie Gamecontrollern stehen mehrere kommerzielle Geräte zur Verfügung. Alle aktuellen Gaming-BCIs basieren auf einer Technologie, die Gehirnsignale mit Elektroden misst, die in eine Kappe oder ein Stirnband eingebaut sind. Während diese Systeme Spaß machen können, ist die Leistung solcher Systeme noch nicht gut genug, um körperliche Einschränkungen zu kompensieren.

Medizinische BCI-Anwendungen erfordern ein hohes Maß an Genauigkeit, da die Folgen eines Geräteausfalls sehr schwerwiegend sein können. Beispielsweise verhindern häufige Fehler eines BCI-Gerät, die Kommunikation erheblich. Auch könnte die unbeabsichtigte Bewegung eines Roboterarms oder Rollstuhls schwere Verletzungen verursachen. Viele Gruppen arbeiten hart daran, BCIs so zuverlässig zu machen dass sie die verlorene Kommunikationsfähigkeit ersetzen können.

Diese Geräte werden nicht nur für Elektroden entwickelt, die mit einer Kappe oder einem Stirnband auf den Kopf befestigt werden, sondern auch für Elektroden, die direkt in oder auf das Gehirn implantiert werden können. In diesen Fällen wird das Risiko einer Operation durch den Vorteil einer besseren Leistung im Vergleich zu dem, was bisher mit auf der Kopfhaut platzierten Elektroden erreicht wurde, aufgewogen.

Menschen, die am meisten von einem BCI profitieren, sind diejenigen, die an einer schweren Lähmung leiden. Verletzungen, die näher am Gehirn liegen, führen in der Regel zu ausgeprägteren Lähmungserscheinungen und mehr Funktionsverlust. In seltenen Fällen ist die Lähmung so extrem, dass die betroffene Person fast keinen Teil ihres Körpers willentlich bewegen kann. Dieser Zustand wird als “Locked-in-Syndrom” oder LIS bezeichnet. In diesem Zustand ist es in der Regel nicht möglich zu sprechen und Kommunikation ist nur durch subtile Gesichtsbewegungen wie Augenblinzeln möglich.
BCIs, zur Wiederherstellung der Kommunikationsfähigkeit von Personen mit LIS, werden derzeit entwickelt. Die Erwartung an diese Geräte ist, dass sie irgendwann den Menschen mit LIS die Möglichkeit geben werden, mit einem umfangreichen Vokabular zu kommunizieren, Nachrichten über das Internet zu senden und Geräte 24 Stunden am Tag ohne die Hilfe von Pflegekräften ein- und auszuschalten. Am wichtigsten ist, dass die Geräte auch verwendet werden können, um Betreuer zu warnen, dass der Benutzer Hilfe benötigt.
BCIs können auch für Menschen mit weniger schweren Lähmungen wertvoll sein. Beispielsweise wurden BCI-Geräte erfolgreich getestet, die es Menschen, die vom Hals abwärts gelähmt sind, ermöglichen, einen Roboterarm zu steuern, indem sie sich vorstellen, ihren eigenen Arm zu bewegen. Es bleibt jedoch unklar, wie viel Zeit benötigt wird, um diese Systeme so weit zu verbessern, dass sie für Menschen, die nicht unter extremer Lähmung leiden, kommerziell verfügbar und erschwinglich gemacht werden können.

Wie funktioniert ein BCI?

Gehirnsignale

Ein BCI zeichnet und interpretiert oder dekodiert Gehirnsignale. Gehirnzellen (Neuronen) kommunizieren miteinander, indem sie sehr kleine elektrische Signale senden und empfangen. Es ist möglich, diese Signale (im Allgemeinen als “Gehirnaktivität” bezeichnet) mit elektrischen Sensoren zu “hören”. Gesunde Menschen sind in der Lage, sich zu bewegen, weil das Gehirn Signale über das zentrale Nervensystem an die Muskeln des Körpers sendet. Jede Interaktion einer Person (z. B. sprechen oder Hände schütteln) erfordert eine präzise Kommunikation zwischen Gehirn und Muskeln. Erkrankungen wie Schlaganfall oder neuromuskuläre Erkrankungen können die Kommunikation zwischen Gehirn und Körpermuskulatur stören oder unterbrechen und zu Lähmungen führen (oder zum Verlust der Fähigkeit, den eigenen Körper zu kontrollieren, wie z. B. Zerebralparese). In vielen Fällen ist das Gehirn jedoch immer noch in der Lage, die Aktivität für eine beabsichtigte Bewegungen zu erzeugen. Ein BCI kann die Gehirnaktivität verwenden, um Hilfsgeräte zu steuern.

Messung von Hirnsignalen

Gehirnsignale können mit verschiedenen Techniken gemessen werden, die jeweils Vor- und Nachteile haben. Eine häufig verwendete Technik (z. B. für neurologische Tests in Krankenhäusern) ist die Elektroenzephalographie (EEG). Diese Technik verwendet elektrische Sensoren (Elektroden), die sich auf der Kopfhaut befinden.
Elektroden können auch direkt auf oder im Hirngewebe unter die Kopfhaut platziert werden. Dafür ist ein chirurgischer Eingriff notwendig. Elektroden, die auf der Oberfläche des Gehirns platziert werden, schädigen das Gehirn nicht. Die Qualität dieses Signals ist deutlich besser als Signale die auf der Kopfhaut aufgezeichnet werden. Aus diesem Grund werden jetzt implantierbare BCIs für gelähmte Menschen entwickelt.
Weitere Techniken zur Messung der Hirnaktivität sind die funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT), die die Hirnaktivität mit einem MRT-Scanner misst, und die Magnetoenzephalographie (MEG), die die Hirnaktivität mit einem MEG-Scanner misst. Beide Techniken erfordern große und teure Maschinen, die nicht für den Heimgebrauch geeignet sind.
Eine weitere Technik ist die Nahinfrarotspektroskopie (NIRS), die die Gehirnaktivität misst, indem Licht durch den Schädel strahlt. NIRS ist tragbar und erfordert keine Operation. Zu diesem Zeitpunkt reicht die Qualität der Hirnaktivitätsmessung jedoch nicht für die Verwendung bei BCIs aus.

Gehirnfunktion

Im Allgemeinen hat jeder Teil des Körpers sein eigenes “Kontrollzentrum” im Gehirn, das für die Orchestrierung seiner Bewegungen verantwortlich ist. Zum Beispiel eine Faust mit der linken Hand zu machen und mit ihren rechten großen Zehen zu wackeln, werden durch verschiedene Bereiche (Kontrollzentren) in Ihrem Gehirn gesteuert.
Die verschiedenen Techniken, die zur Messung der Gehirnaktivität verwendet werden, können “sehen”, wenn verschiedene Kontrollzentren aktiv sind. Dies ermöglicht es BCIs, die Bewegung von Körperteilen anhand der Gehirnaktivität zu erkennen. Eine besondere Eigenschaft des Gehirns ist es, dass diese Kontrollzentren auch aktiv sind, wenn man lediglich an eine Bewegung denkt (ohne sie tatsächlich auszuführen).
Im Allgemeinen haben Menschen, die an LIS leiden, immer noch voll funktionsfähige Kontrollzentren im Gehirn. Daher sind sie in der Lage, verschiedene Bereiche in ihrem Gehirn zu aktivieren, indem sie über Bewegungen nachdenken oder versuchen, Bewegungen zu machen.
Neben Bewegungen können eine Reihe weiterer Gehirnfunktionen erkannt werden. Beispielsweise gibt es einen kleinen Bereich im Gehirn, der aktiviert wird, wenn Sie kopfrechnen. Andere Gebiete sind beim Sprechen oder zuhören aktiv. Wenn diese Bereiche aktiv sind, kann ein BCI erkennen, dass eine Person in ihrem Kopf spricht.
Es gibt viele verschiedene Bereiche im Gehirn, die eine Person absichtlich ein- und ausschalten kann, indem sie verschiedene mentale (z.B. Rückwärtszählen) oder körperliche Aufgaben ausführt (z.B. Bewegungsvorstellung). Die Tatsache, dass eine Person, die an Lähmung leidet, auch absichtlich bestimmte Bereiche ihres Gehirns aktivieren kann, indem sie mentale Aufgaben ausführt, macht ein BCI zu einer realistischen und vielversprechenden Hilfsgerätetechnologie.

Was tut ein BCI mit den Gehirnsignalen?

Indem wir die Elektroden genau auf die Gehirnbereiche legen, die jemand steuern kann, erhalten wir Signale, die von der Person willentlich verändert werden können. Wenn ein Signal erkannt wird, kann es in einen Befehl übersetzt werden, um ein Gerät oder eine Software zu steuern. Ein Computer kann dann so programmiert werden, dass er diese Informationen für bestimmte Aufgaben verwendet. So kann ein Computer immer dann einen „Mausklick“ erzeugen wenn die Person die Aktivität in einem bestimmten Gehirnbereich willentlich verändert.
Eine “Mausklick”-basierten Steuerung wird bereits häufig von Menschen verwendet, die an Lähmungen leiden. Viele Personen mit Lähmungen verwenden einfache Taster die sie, z.B. durch eine Kopfbewegung aktivieren können. Ein BCI auch als “Taste” verwendet werden, um die vielen Gerätetypen zu steuern, die für die Tastendrucksteuerung entwickelt wurden.

Der Stand der Technik bei BCIs für Gelähmte

Verschiedene BCIs sind im Handel erhältlich. Sie sind für den Einsatz bei gelähmten Menschen nicht zuverlässig genug. Zum Beispiel, wenn sie verwendet werden würden, um eine E-Mail zu tippen, wäre jeder 5. Buchstabe falsch, was sehr schnell eine Menge Frustration verursacht. Es gibt verschiedene Studien zu besseren Methoden für BCIs mit EEG.

Es gibt bereits einige Implantate. Bei diesen werden aber nur die Elektroden nicht aber der notwendige Signalverstärker implantiert. Daher benötigen diese Systeme eine Steckverbindung am Kopf. Es gibt ein System welches vollständig implantierbar (neuralsignals.com) ist. Bei diesem System ist es aber noch nicht klar wie gut es funktionieren wird.
Es gibt auch ein vollständig implantierbares System, das jetzt in Utrecht getestet wird.

Das UMC Utrecht Braincenter hat ein implantierbares BCI-System für LIS-Patienten entwickelt, das auf einem Gerät des Medizintechnikunternehmens Medtronic basiert. Die Utrecht Neuro-Prothese (UNP) ist das erste und einzige System, das für den Heimgebrauch geeignet ist und ohne fremde Hilfe genutzt werden kann. Die UNP sendet verstärkte Gehirnsignale drahtlos von einem unter der Brusthaut implantierten Gerät an einen externen Computer.
Das UNP ist mit kommerziell verfügbarer Hilfstechnologie kompatibel.

Mehrere Forschergruppen auf der ganzen Welt entwickeln derzeit weitere implantierbare BCIs. Die Zukunft wird zeigen, welches dieser Geräte für welche Benutzer am besten geeignet ist. Derzeit laugen die ersten Versuche mit vollständig implantierbaren BCI für den Heimgebrauch. Positive Ergebnisse dieser Tests können die weitere Entwicklung von BCIs fördern.
BCIs sind nicht in der Lage, die Gedanken oder die innere Sprache einer Person zu lesen. BCIs können nur erkennen ob sie einen bestimmten Hirnbereich willentlich aktivieren. Die aktuelle Technologie ist weit davon entfernt, die Aktivität verschiedener Arten komplexer Gehirnfunktionen innerhalb eines bestimmten Bereichs zu erkennen oder zu interpretieren. Ein BCI kann erkennen, dass eine Person einen Mausklick machen möchte, aber es kann den Grund für den Mausklick nicht allein anhand der Gehirnaktivität bestimmen. In Zukunft werden BCIs jedoch mehrere verschiedene Befehle gleichzeitig ausgeben können, z. B. um die Maus nach oben und nach rechts zu bewegen.

Hirn-Computer Schnittstellen

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Ein BCI ist ein Gerät, das aus Sensoren besteht, die Gehirnsignale messen (oft in Form von “Elektroden”), einem Verstärker, um die schwachen Gehirnsignale messbar zu machen, und einem Computer, der die Gehirnsignale in Befehle zur Steuerung von Computerprogrammen und/oder Geräten übersetzt.

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Die Utrechter NeuroProthese

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Die Utrecht NeuroProthese ist ein Hirn-Computer Schnittstelle. Wir untersuchen ob Menschen mit dem Locked-in Syndrom mit diesem Hilfsmittel kommunizieren könnten.

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Über uns

Über uns

Die Utrecht NeuroProthese wird entwickelt im Universitätsklinik UMC Utrecht. Hier arbeiten Spitzenarbeiter in Versorgung und Forschung zusammen.

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