Stecken Sie mich ein: die Physik der Gehirn-Computer-Schnittstellen – Physics World

Das menschliche Gehirn ist eine erstaunliche und komplexe Maschinerie. Mit mehr als 80 Milliarden Neuronen in der menschlichen Großhirnrinde, von denen jedes über tausend Synapsen verfügt, verarbeitet unser Gehirn etwa 100 Megabit an Informationen pro Sekunde. Stellen Sie sich dann vor, Sie würden versuchen, alle Signale in unserem Gehirn in Echtzeit und mit Gedankengeschwindigkeit zu messen, zu extrahieren und zu interpretieren. Das Anzapfen des Gehirns hätte einst vielleicht nur in der Sphäre von liegen Science-Fiction – von X-Men zu Die Matrix – aber heute ist es tatsächlich möglich, Ihr Gehirn mit einem Computer zu verbinden und beispielsweise einen Roboterarm zu steuern oder Ihre Gedanken in Text zu übersetzen.

Eine Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI) fungiert als Brücke zwischen Ihrem Gehirn und einem externen Gerät, typischerweise einem Computer. BCIs sammeln, analysieren und übersetzen elektrische Signale Ihres Gehirns in Befehle, die von einem Computer verstanden und ausgeführt werden können. Sie können auch externe Signale nutzen, um das Gehirn zu modulieren. Dank einer Kombination aus Neurowissenschaften, Biomedizin, Physik und Technologie können BCIs das Leben von Menschen mit schwerwiegenden Erkrankungen verändern. Sie haben auch Anwendungen in den Bereichen Robotik, Neurowissenschaften, Technologie, Spiele und Computer.

In den letzten 25 Jahren haben BCIs gelähmten Menschen dies ermöglicht Computer allein durch Gedanken bedienen. Sie haben wiederhergestellte Sprache nachdem es aufgrund eines Schlaganfalls verloren gegangen ist; haben diejenigen mit fehlenden oder erlaubt gelähmte Gliedmaßen wieder funktionstüchtig zu machen oder ihnen dabei geholfen hat Roboterarme bedienen und Hände. BCIs haben diagnostizierte Epilepsie und andere neurologische Erkrankungen und linderte sie bei Zehntausenden von Menschen. Sie haben sogar vielversprechende Ergebnisse gezeigt Blinden das Augenlicht zurückgeben.

Die meisten dieser Beispiele erfordern jedoch eine Gehirnoperation, bei der Elektroden auf oder in der Oberflächenschicht des Gehirns (der Kortikalis) und möglicherweise sogar noch tiefer platziert werden, was riskant ist, da es zu Blutungen oder Infektionen kommen könnte. Ein weiteres Problem besteht darin, dass Forscher derzeit keine klare Vorstellung davon haben, welche Auswirkungen und potenziellen Schäden die implantierten Elektroden auf das Gehirngewebe haben könnten, und auch nicht wissen, wie lange sie halten könnten. All dies bedeutet, dass elektrische Implantate in ihrem derzeitigen Zustand den Millionen Menschen, die von ihnen profitieren würden, nicht sicher und zuverlässig helfen können. Tatsächlich werden menschliche Implantationen nur dann durchgeführt, wenn alle anderen Behandlungen fehlschlagen, oder auf experimenteller Basis – bei etwa 50 Personen weltweit mit schweren Einschränkungen wie Lähmungen –, bei denen die Chance auf eine Verbesserung der schlechten Lebensqualität die Gefahren überwiegt.

Glücklicherweise könnten die Lösungen für einige dieser Probleme in physikalischen Prinzipien und Methoden liegen, die diese Geräte sicherer, langlebiger und allgemeiner verfügbar machen könnten. Die Physik könnte auch zur Verbesserung der BCI-Implantationsmethoden und -materialien genutzt werden. Noch wichtiger ist jedoch die Notwendigkeit, Gehirnoperationen zu eliminieren oder zu minimieren, indem Möglichkeiten zur Interaktion mit dem Gehirn über Licht, Magnetfelder oder Ultraschall geschaffen werden. Nicht-invasive, drahtlose und tragbare oder tragbare BCIs könnten die Hirnforschung und medizinische Behandlung verbessern und auch im täglichen Leben eingesetzt werden.

Melden Sie sich mit einem Gedanken an

Von der Antike bis ins 19. Jahrhundert führten Ärzte und Experimentatoren, oft unwissentlich, verschiedene rudimentäre Experimente durch, bei denen sie versuchten, die elektrische Aktivität des Gehirns für medizinische Behandlungen zu verändern. Im Jahr 1924 wurden diese Bemühungen intensiver, als der deutsche Psychiater Hans Berger die elektrische Gehirnaktivität mithilfe von Elektroden aufzeichnete, die am Schädel eines Patienten angebracht wurden, und so die Technik der Elektroenzephalographie (EEG) erfand. In den 1970er Jahren demonstrierte der Physiker und Informatiker Jacques Vidal die Gedankensteuerung eines externen Geräts, indem menschliche Probanden, die mit EEG-Kontakten ausgestattet waren, einen auf einem Computerbildschirm angezeigten Cursor geistig bewegten.

Das EEG bleibt ein wertvolles nicht-invasives Instrument zur Diagnose von Erkrankungen wie Epilepsie. Es ermöglicht uns, die Ursache und Art der Anfälle zu bestimmen, unter denen ein Patient möglicherweise leidet, und auch andere Erkrankungen wie Demenz, Hirntumoren und Gehirnerschütterungen zu untersuchen. Bei einem EEG werden jedoch große Gruppen von Neuronen abgetastet, und das Signal-Rausch-Verhältnis ist schlecht, was es schwierig macht, die Signale mit bestimmten Gehirnaktivitäten zu korrelieren.

Implantierte Elektroden hingegen tasten ausgewählte Neuronen direkt ab. Dies wurde 1998 experimentell nachgewiesen, als der in Atlanta ansässige Neurologe Philip Kennedy speziell angefertigte Elektroden im Gehirn eines Patienten namens „JR“ platzierte, der durch einen Schlaganfall „eingesperrt“ war (IEEE Trans. Rehabilitation. Ing. 8 198). Der unglückliche Patient war zwar im Besitz seiner vollen kognitiven Fähigkeiten, konnte sich aber weder bewegen noch sprechen. Schließlich lernte JR zu kommunizieren, indem er mental einen Computercursor steuerte, um Wörter zu buchstabieren.

Mittlerweile verwenden viele Forscher und Kliniker eine implantierte Elektrodenanordnung, die sogenannte „Utah Array“ von Blackrock Neurotech. Dieses maßgeschneiderte Siliziumprodukt besteht aus einer Reihe von 100 p-Typ-Siliziumelektroden (in einer 10 × 10-Konfiguration), im Abstand von 400 µm auf einem 4 × 4 mm großen isolierenden Substrat – ungefähr der Größe eines Pfefferkorns. Die 0.5 bis 1.5 mm langen Elektroden sind mit Platin oder Iridiumoxid bestückt. Rund 30 Menschen auf der ganzen Welt, die an unterschiedlichen Lähmungserscheinungen leiden, wurden mit diesen Geräten ausgestattet. Beispielsweise wurden im Jahr 2015 vier Arrays implantiert Nathan Copeland, der nach einem Autounfall im Jahr 2004 von der Brust abwärts gelähmt war. Die Implantate ermöglichen es ihm, mit seinen Gedanken einen Computer zu steuern, Videospiele zu spielen und einen Roboterarm zu steuern. Zum Zeitpunkt des Verfassens dieses Artikels ist Copeland der Patient mit der längsten Behandlungszeit mit einem solchen Implantat, aber die wirklich langfristigen Auswirkungen dieser invasiven Technologie sind noch nicht vollständig geklärt.

Reduzierung der Invasivität

Das Problem mit einer Elektrode oder einem anderen künstlichen Implantat im Gehirn besteht darin, dass es eine Immunreaktion auslösen kann, die benachbartes Gewebe entzündet und vernarbt. Verschärft wird dies durch die mechanische Fehlanpassung zwischen einer starren Elektrode und dem Weichgewebe des Gehirns, was wiederum die Leistung der Elektrode beeinträchtigen kann.

Langlebige, biokompatible Materialien mit geeigneten elektrischen Eigenschaften für Elektroden und Substrate zu finden, ist eine Herausforderung für Physik und Materialwissenschaften

Doch langlebige, biokompatible Materialien mit geeigneten elektrischen Eigenschaften für Elektroden und Substrate zu finden, ist eine Herausforderung für Physik und Materialwissenschaften. Zu den vielversprechenden Kandidaten zählen weiche und flexible leitende Polymere sowie extrem dünne elektrische Leiter wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Silizium-Nanodrähte (einen weiteren Ansatz finden Sie im Kasten unten).

Forscher arbeiten auch daran, chirurgische Risiken zu reduzieren, indem sie bestehende medizinische Technologien anpassen. Stents – winzige Hohlzylinder – werden häufig verwendet, um verschiedene Arten von Gefäßen im Körper offen zu halten. In einer häufigen Anwendung halten sie die Herzkranzgefäße offen und gelten als minimalinvasiv. Neurotech-Unternehmen Synchron hat „Stentroden“ (Stent-Elektroden-Aufzeichnungsarray) entwickelt. Dabei handelt es sich um Elektroden, die an einem Stent angebracht sind, der dauerhaft in ein Blutgefäß im Gehirn implantiert wird. Sie können Gehirnsignale erkennen und sie drahtlos an einen Computer senden. In Versuchen am Menschen haben Stentroden es gelähmten Probanden ermöglicht, Computer zu bedienen (J. NeuroIntervent. Surg. 13 102).

Mit einem anderen Ansatz verfolgt das US-Unternehmen Neuralink gab 2019 bekannt, dass es ein BCI entwickelt hat, das von einem chirurgischen Roboter bündig mit dem Schädel implantiert wird und außerdem 1024 oder mehr flexible Elektroden im Gehirn platziert (J. Med. Internet-Res. 21 e16194). Neuralink, das von Elon Musk mitbegründet wurde, hat seitdem keine weiteren Details veröffentlicht, aber nach der kürzlichen Genehmigung der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) für Versuche am Menschen könnten weitere Informationen folgen. In welcher Form auch immer, elektrodenbasierte BCIs werden aufgrund ihrer hohen räumlichen Auflösung und schnellen Reaktion weiterhin wichtig sein, aber auch nicht-invasive Ansätze entwickeln sich rasch weiter.

Photonen erforschen das Gehirn

Im elektromagnetischen Spektrum kann Nahinfrarotlicht (NIR), das von 700 bis 1400 nm reicht, dies tun Traverse den Schädel und dringen zentimetertief in das Gehirn ein, ohne Schaden anzurichten, solange die Leistungsdichte bei Milliwatt pro Quadratzentimeter gehalten wird. Eine nicht-invasive NIR-Methode namens „Photobiomodulation“ hat gezeigt, dass sie das Gehirn stimulieren kann. Beispielsweise wurden in einer klinischen Studie im Jahr 2021 Patienten mit Demenz wiederholt LEDs ausgesetzt, die Licht bei 1060–1080 nm aussenden. Diese Gruppe zeigte im Vergleich zu einer Kontrollgruppe bemerkenswerte Verbesserungen der kognitiven Funktion und der subjektiven Stimmung (Alterungsdis. 12 954). Es wird angenommen, dass das Licht die Zellfunktion verbessert oder Entzündungen reduziert, es sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich, um den genauen Mechanismus zu ermitteln.

Eine zweite nicht-invasive Methode, bekannt als „funktionale Nahinfrarotspektroskopie“ (fNIRS), nutzt NIR-Licht, um Schwankungen des Lichts zu messen, das vom Hämoglobin im im Gehirn zirkulierenden Blut absorbiert wird. Die Technik kann die Gehirnaktivität abbilden, da sauerstoffarmes Hämoglobin NIR-Licht anders absorbiert als die sauerstoffhaltige Form HbO₂. Aktive Neuronen benötigen einen erhöhten HbO-Fluss₂-angereichertes Blut, das die Erkennung der Gehirnfunktion ermöglicht. Auf den Schädel werden zwei Wellenlängen angewendet, und eine Messung ihrer unterschiedlichen Abschwächungen an bestimmten Stellen kann zeigen, welche Bereiche aktiv sind. fNIRS wurde in der Klinik eingesetzt, wobei das US-amerikanische Neurotech-Unternehmen Kernel eine tragbare Headset-Version entwickelte. Es bedeckt den Schädel mit 52 Modulen, jedes mit Laserquellen, die bei 690 nm und 850 nm emittieren, und einem Detektor (J. Biomed. Opt. 27 074710). Im Jahr 2021 genehmigte die FDA das Gerät, um die Reaktion des Gehirns auf ein psychedelisches Medikament zu testen.

Obwohl es Sekunden dauert, bis sich der sauerstoffreiche Blutfluss entwickelt – was fNIRS zu langsam macht, um ein externes Gerät zu steuern –, liefert es eine höhere räumliche Auflösung und ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis als EEG, was bedeutet, dass es die Gehirnaktivität genauer bestimmen kann. Ein fNIRS-Headset könnte die Gehirnaktivität sogar bei einem sich frei bewegenden Subjekt messen und es so ermöglichen, das Gehirn abzubilden und neuronale Erkrankungen unter verschiedenen Bedingungen zu diagnostizieren.

Schnellere Reaktionen können mit einer anderen Methode erzielt werden – dem sogenannten „ereignisbezogenen optischen Signal“ (EROS), bei der Infrarotlicht verwendet wird, um Veränderungen in den optischen Eigenschaften von kortikalem Hirngewebe zu messen. Die Wechselwirkung von Licht mit Nervengewebe verändert sich, wenn Neuronen aktiv sind, da dies die optische Streuung erhöht, die Wege der Photonen durch das Gehirn verlängert und ihre Ankunft am Detektor verzögert.

In frühen Experimenten an menschlichen Probanden drang NIR-Licht, das über optische Fasern eingestrahlt wurde, in den Schädel ein und wurde in kurzer Entfernung erfasst, verzögert um 0.1 s oder weniger, nachdem Neuronen angeregt worden waren. Weitere Arbeiten waren begrenzt, da diese Messungen technisch anspruchsvoll sind. Aktuelle Ergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass EROS in Kombination mit fNIRS die Grundlage für nicht-invasive BCIs mit guter räumlicher und zeitlicher Auflösung bilden könnte.

Das magnetische Gehirn

Eine weitere etablierte nicht-invasive Methode, die neuronale Aktivität des Gehirns zu verfolgen, ist die „funktionelle Magnetresonanztomographie“ (fMRT). Die Standard-MRT erfasst das Verhalten von Protonen in Wasser und Fett im Körper in einem starken Magnetfeld, um Körperstrukturen abzubilden. Stattdessen fMRT erkennt Signale des Blutflusses im Gehirn die, wie bereits erwähnt, vom Sauerstoffgehalt des Hämoglobins abhängen. Wie fNIRS ermöglicht dies fMRI die Markierung von Regionen neuronaler Aktivität, allerdings mit einer räumlichen Auflösung von 1 mm statt 1 cm. Die Zeitverzögerung von Sekunden ermöglicht eine Kartierung nahezu in Echtzeit, ist aber immer noch zu langsam für die Gehirnsteuerung externer Geräte. fMRI erfordert außerdem eine große, teure Installation mit einem supraleitenden Magneten.

Schnellere Reaktionszeiten sind mit der nicht-invasiven „Magnetoenzephalographie“ (MEG) möglich, die die neuronale Aktivität durch die Erkennung der Femtotesla verfolgt (10).^-15 Tesla)-Magnetfelder, die durch den Fluss von Ionenströmen zwischen aktiven Neuronen erzeugt werden. Diese Felder werden mit empfindlichen supraleitenden Quanteninterferenzgeräten (SQUID) gemessen, die in einem abgeschirmten Raum in der Nähe der Kopfhaut platziert werden, um magnetische Interferenzen zu verhindern. MEG bietet eine räumliche Auflösung von 1–2 mm und eine Reaktionszeit von Millisekunden, erfordert jedoch ein sperriges Gerät mit hohen Betriebskosten.

Ein neuer Detektortyp, das „optisch gepumpte Magnetometer“ (OPM), verbessert die MEG, indem es das Magnetfeld des Gehirns bei Raumtemperatur misst. OPM verwendet eine kleine Zelle, die mit einem Alkaliatomdampf gefüllt ist. Eine auf einen bestimmten Quantenübergang abgestimmte Laserdiode pumpt den Dampf optisch, wodurch die magnetischen Momente der Atome ausgerichtet werden. Diese Magnetisierung interagiert mit dem Magnetfeld des Gehirns, um die von einem Detektor ermittelte Opazität des Dampfes zu verändern, was die Messung des Magnetfelds ermöglicht.

Die Quantenphysik gibt MEG-Scannern mit Gehirnerkennung einen Schub

Anfang des Jahres ein in Großbritannien ansässiges Unternehmen Cerca Magnetics gewann einen Preis für Quanteninnovation für die Entwicklung seiner OPM-MEG tragbarer Gehirnscanner. Es besteht aus 50 LEGO-Block-großen Einheiten, die auf einem Ganzkopfhelm montiert sind, um das Gehirn zu bedecken. Der Prototyp des tragbaren OPM-MEG BCI ermöglicht die neuronale Diagnose, während sich ein Proband bewegt. Mit seiner hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung könnte es möglicherweise externe Geräte steuern.

Auf das Gehirn hören

Die Ultraschalltechnologie wird häufig als tragbare, nicht-invasive Methode zur Abbildung von Körperstrukturen, einschließlich roter Blutkörperchen, eingesetzt, da diese hochfrequente Schallwellen reflektieren. Im letzten Jahrzehnt hat sich die Technologie so weit entwickelt, dass der „schnelle funktionelle Ultraschall“ (fUS) Doppler-Messungen des Blutflusses im Gehirn nutzen kann, um aktive Neuronen zu identifizieren. Bei fUS erzeugen Sonden ebene Ultraschallwellen und sammeln Daten über Hunderte von Kanälen. Anschließend fokussiert ein Computer die Wellen synthetisch und analysiert die Daten, um schnell hochauflösende Bilder der Gehirnfunktion zu erstellen. Studien an nichtmenschlichen Primaten zeigen, dass fUS, das über einen minimalinvasiven Zugang im Schädel funktioniert, einen BCI unterstützen könnte, der die neuronalen Impulse verfolgt, die Körperbewegungen darstellen (Neuroscience 474 110).

Ultraschall dient auch der transkraniellen Ultraschallstimulation (TUS), einer Methode zur Modulation neuronalen Verhaltens, die auf wenige Kubikmillimeter genau im Gehirn gezielt werden kann. Nach umfangreichen Tierstudien deuten einige Studien am Menschen darauf hin, dass TUS neurologische Erkrankungen behandeln kann psychiatrische Probleme wie Schmerzen und Depressionen.

Die Zukunft nicht-invasiver BCIs

Andere physikalische Methoden können Implantate ergänzen und vielleicht eines Tages ersetzen und so mit minimaler Invasivität auf das Gehirn zugreifen, was eine sicherere, kostengünstigere und breitere medizinische Anwendung von BCIs ermöglicht. Andrew Jackson, ein Physiker, der zum Neurowissenschaftler an der Newcastle University im Vereinigten Königreich wurde, sagt, dass die derzeit aufregendste Technologie für die Aufzeichnung des Gehirns das tragbare OPM-MEG sei. „Es ist auch interessante Physik!“ fügt er hinzu und weist auf den Wert von Ultraschall für die Hirnstimulation hin. Jackson warnt jedoch, dass keine dieser nicht-invasiven Technologien bisher die räumliche Auflösung hat, die man mit Implantaten erreichen kann. Für den klinischen Einsatz und vielleicht auch darüber hinaus bleibt noch viel zu tun.

Wenn nicht-invasive BCIs das chirurgische Risiko eliminieren, könnten gesunde Menschen motiviert werden, sie für eine echte oder vermeintliche geistige Verbesserung zu verwenden. Der bekannte Neurowissenschaftler Kristof Koch hat erzählt, wie „fantastisch“ es wäre, ein sicheres BCI zu haben, das Gehirne mit Computern verbindet, damit Menschen Informationen direkt in ihr Gehirn herunterladen könnten.

Im Jahr 2021 erfolgt die Gründung in San Francisco Gedankenportal sammelte 5 Millionen US-Dollar für die Entwicklung eines Stirnbandes zur mentalen Kontrolle eines Virtual-Reality-Spiels. Es verwendet proprietäre Technologie, möglicherweise eine schnelle NIR-Methode. In einer anderen Anwendung sind Geräte zur transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS) zu moderaten Preisen leicht erhältlich. Diese wenden elektrische Ströme im Milliampere-Bereich an den Schädel an, die angeblich die Wahrnehmung verbessern sollen.

Angesichts des Aufstiegs der Verbraucher-Neurotechnologie weisen Neuroethiker auf den Schaden hin, der ohne wirksame Aufsicht und Regulierung entstehen könnte – wobei auch Themen wie Privatsphäre und Gedankenkontrolle berücksichtigt werden müssten. Durch die Entwicklung nicht-invasiver BCIs treiben Forscher die Hirnforschung und -behandlung enorm voran und tragen dazu bei, die Unabhängigkeit schwerbehinderter Menschen wiederherzustellen. Gleichzeitig sollten sich Forscher der vielen ethischen Probleme bewusst sein, die diese Geräte über Labor und Klinik hinaus aufwerfen.

• SEO-gestützte Content- und PR-Distribution. Holen Sie sich noch heute Verstärkung.
• PlatoData.Network Vertikale generative KI. Motiviere dich selbst. Hier zugreifen.
• PlatoAiStream. Web3-Intelligenz. Wissen verstärkt. Hier zugreifen.
• PlatoESG. Kohlenstoff, CleanTech, Energie, Umwelt, Solar, Abfallwirtschaft. Hier zugreifen.
• PlatoHealth. Informationen zu Biotechnologie und klinischen Studien. Hier zugreifen.
• Quelle: https://physicsworld.com/a/plug-me-in-the-physics-of-brain-computer-interfaces/