Mensch-Maschine-Kommunikation - so geht's

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Menschen können lernen, ihre Hirnaktivität durch Vorstellungen zu lenken. Computer können lernen, in diesen Veränderungen Muster zu erkennen. Eine solche Computer-​Hirn-​Schnittstelle ist die direkteste Kommunikation von Mensch und Maschine.

Wissenschaftliche Betreuung: Jochem W. Rieger

Veröffentlicht: 27.05.2014

Das Wichtigste in Kürze
  • Die Computer-Hirn-Schnittstelle ist die direkteste Form der Kommunikation von Mensch und Maschine. Sie erfordert keine Muskelkraft
  • Über die Registrierung der Veränderungen in der Hirnaktivität können Menschen lernen, Computerprogramme oder Prothesen zu steuern
  • Dass Gehirnaktivität über diese Schnittstellen nicht nur registriert sondern auch verändert werden kann, lässt diese Technologie auch geeignet erscheinen, Menschen zu manipulieren
Gedanken-Übertragung zwischen Mensch und Tier

In einem Versuch übertrugen der brasilianische Neurowissenschaftler Miguel Nicolelis und Mitarbeiter die Hirnströme einer Ratte, die in einem Käfig an der Duke University Aufgaben löste, via Internet ins Gehirn einer anderen Ratte, deren Käfig in Natal in Brasilien stand. Diese Ratte wählte auf der Basis der erhaltenen Hirnströme in 60 bis 75 Prozent der Fälle die richtige Lösung, ohne überhaupt die Aufgabe zu kennen – nach dem Zufallsprinzip hätte die Trefferquote bei rund 50 Prozent liegen müssen.
Mithilfe einer Schnittstelle zwischen einem Menschengehirn und einem Rattengehirn konnte Seung-Schik Yoo von der Harvard University Versuchspersonen dazu bringen, durch Gedankenkraft mit dem Schwanz der Ratte zu wedeln.
Blieb nur noch die Übertragung von Mensch zu Mensch: Im letzten Jahr saß Rajesh Rao, Informatiker und Neurowissenschaftler an der Washington University, vor einem Computermonitor und spielte ein Computerspiel – mithilfe seiner Hirnströme, ohne sich zu rühren. Wenn er im Spiel mit einer Kanone auf ein Flugzeug am Himmel feuern sollte, stellte er sich vor, seine rechte Hand drücke eine Taste. In einem anderen Gebäude auf Campus der Universität saß der Psychologe Andrea Stocco mit der Hand auf der Tastatur aber ohne Monitor. Er trug auf seinem Kopf über seinem linken motorischen Cortex ein Gerät zur transkranialen magnetischen Stimulation dieser Hirnregion. In dem Moment, in dem Rao sich vorstellte, eine Taste zu drücken, drückte Stocco die Leertaste auf seiner Tastatur – gefolgt von einem begeisterten „Treffer!“ seines bewegungslos dasitzenden Kollegen. Heute arbeiten beide daran, komplexere Informationen zu übertragen, wenn möglich in beide Richtungen.
Diese Experimente mögen imposant klingen, sind aber Expertenmeinungen zufolge trotzdem recht trivial – und ethisch bedenklich

Cortex

Großhirnrinde/Cortex cerebri/cerebral cortex

Der Cortex cerebri, kurz Cortex genannt, bezeichnet die äußerste Schicht des Großhirns. Sie ist 2,5 mm bis 5 mm dick und reich an Nervenzellen. Die Großhirnrinde ist stark gefaltet, vergleichbar einem Taschentuch in einem Becher. So entstehen zahlreiche Windungen (Gyri), Spalten (Fissurae) und Furchen (Sulci). Ausgefaltet beträgt die Oberfläche des Cortex ca 1.800 cm2.

Vergleich: Computer und Gehirn

Ein Gehirn ist kein Computer: Das zeigt schon die lange Trainingszeit, die erforderlich ist, um beide aufeinander abzustimmen. Während das Gehirn unendlich viele komplexe Zustände kennt, geht es für die Zusammenarbeit mit dem Computer immer darum, sie auf zwei eindeutig identifizierbare Zustände zu reduzieren: „ja“ oder „nein“. Das Gehirn arbeitet, was die einzelnen „Schaltvorgänge“ angeht, zwar langsamer als der Computer, dafür aber parallel: Zahlreiche Prozesse laufen zugleich ab und sind in komplexen Mustern miteinander verschaltet. Das macht das Gehirn ausgesprochen fehlertolerant. Computer hingegen reagieren oft mit Totalausfall auf Störungen in einzelnen Bauteilen. Die Computertechnik bemüht sich allerdings, diese Eigenschaften des Gehirns auch in Computern zu realisieren: Parallelarchitekturen, neuronale Netzwerke und flexible Lernsysteme machen Rechner und Gehirn einander ähnlicher

Am 12. Juni 2014 um 17 Uhr Ortszeit soll es soweit sein: In der Arena Corinthians in São Paulo, Brasilien, soll vor den Augen der (Fußball-)Welt ein querschnittsgelähmter Jugendlicher aus seinem Rollstuhl aufstehen, zur Mittellinie gehen und den offiziellen Startschuss zur Fußball-​Weltmeisterschaft 2014 geben. Der Jugendliche wird das nicht einem Wunder verdanken, sondern der Arbeit von 200 Forschern aus Psychologie, Medizin, Informatik, Rehabilitation, Neuro– und Kognitionswissenschaften. Sie alle befassen sich im Rahmen des multinationalen Projekts „Walk Again“ mit der Kommunikation von Mensch und Maschine, von Gehirn und Computer. Welcher gelähmte Fußballer den Anstoß ausführt, das steht noch nicht fest – bislang trainieren zehn Jugendliche für die ehrenvolle Aufgabe. Klar ist aber: Er wird ein Exoskelett tragen, eine Art motorisierten Anzug mit Schienen an den Beinen, dessen Motoren und Gelenke seine gelähmten Gliedmaßen bewegen.

Er steuert die Laufmaschine mit seinen Gedanken, genauer: mit den Veränderungen in seiner Hirnaktivität, die von einer Kappe mit Sensoren registriert und an das Gerät weitergeleitet werden.

Das ist die unmittelbarste Form der Kommunikation von Mensch und Maschine. Sie wird Computer-​Hirn-​Schnittstelle genannt oder auf Englisch brain computer interface, kurz BCI. Sie beruht auf der Erkenntnis, dass Vorstellungen von Bewegungen ausreichen, um Hirnaktivität messbar zu verändern: Die Vorstellung, die rechte Hand zu bewegen, führt zu einem anderen Aktivierungsmuster, als die Vorstellung, die linke Hand zu bewegen. Diese Steuerung mit der Kraft der Gedanken ist inzwischen so weit fortgeschritten, dass erste Anwendungen auf dem Spielzeugmarkt zu haben sind, etwa das Sensor-​Headset Mindflex, mit dem der Spieler durch Konzentration eine Kugel durch einen Hindernisparcours steuern muss. Allerdings ist fraglich, ob hier tatsächlich mit der Kraft der Gedanken gespielt wird – oder nicht eher mit dem Zufall.

Die wichtigste Eigenschaft der Computer-​Hirn-​Schnittstelle: Es ist die einzige Form der Kommunikation, die keine Muskelkraft erfordert und die deshalb auch für Menschen infrage kommt, die ihren Körper nur eingeschränkt oder gar nicht kontrollieren können. Deswegen werden Computer-​Hirn-​Schnittstellen zum Beispiel in der Rehabilitation von Schlaganfallpatienten und der Kommunikation mit gelähmten Personen eingesetzt.

Die Idee, dass es direktere Formen der Interaktion mit Maschinen geben müsse, als Handbücher zu wälzen und Knöpfe zu drücken, ist nicht neu. Die längste Zeit aber war der Ort, an dem Mensch und Maschine aneinander stießen, eine Tastatur, ein Mikrofon oder ein Ein-​Aus-​Schalter. Mit den Fortschritten der Hirnforschung, der miniaturisierten Elektrodentechnik und der Möglichkeiten, mehr Signal und weniger Rauschen zu messen, rückte diese Schnittstelle immer näher an den Menschen heran. In seinen Körper hinein. Bis in sein Gehirn.

Auge

Augapfel/Bulbus oculi/eye bulb

Das Auge ist das Sinnesorgan zur Wahrnehmung von Lichtreizen – von elektromagnetischer Strahlung eines bestimmten Frequenzbereiches. Das für den Menschen sichtbare Licht liegt im Bereich zwischen 380 und 780 Nanometer.

Brain-Computer-Interface

Hirn-Computer-Schnittstelle/-/Brain-Computer-Interface

Eine direkte Schnittstelle zwischen Gehirn und Computer. Es gibt verschiedene Entwicklungsansätze von Gehirn-​Computer-​Schnittstellen: invasive – über eine Elektrode im Gehirn – genauso wie nicht-​invasive – über EEG. Sie erlauben zum Beispiel Locked-​in-​Patienten wieder zu kommunizieren. Auch die Steuerung von Arm– oder Beinprothesen über periphere Nerven ist ein Anwendungsgebiet.

Eine Schnittstelle aus drei Elementen

Die Computer-​Hirn-​Schnittstellen benötigen zunächst ein Gerät, das die Hirnaktivität aufzeichnet und an einen Computer weiter gibt. Das geschieht beim Menschen in den meisten Fällen durch Elektroencephalografie (EEG), also nicht invasiv, das heißt ohne einen chirurgischen Eingriff (Kommunikation per Badekappe) Nur in besonders schweren Fällen entscheiden Ärzte, den Schädel des Patienten zu öffnen, um Sensoren direkt auf das Gehirn zu legen oder Elektroden in das Gehirn einzuführen. Auch wenn diese invasive BCI-​Methode teurer ist, aufwändiger und die Gefahr birgt, dass das Gehirn sich entzündet (Der Chip im Gehirn).

Ist die Computer-​Hirn-​Schnittstelle eingerichtet, müssen sich Gehirn und Computer aufeinander einstellen. Ein Muster-​Erkennungsprogramm lernt, die gemessenen Spannungsschwankungen für die Steuerung eines Endgeräts zu nutzen. Die menschlichen Nutzer ihrerseits müssen lernen, die eigene Hirnaktivität so in den Griff zu bekommen, dass das Programm zwei Zustände unterscheiden kann: „ja“ und „nein“. Dies gelingt etwa mithilfe von Feedback-​Training schon in ein paar Minuten. Um aber zum Beispiel eine Armprothese zu kontrollieren, dauert das Training Tage, wenn nicht gar Wochen.

Als Drittes schließlich gehört zu einer Computer-​Hirn-​Schnittstelle ein Endgerät: ein Sprach-​, Schreib– oder Malprogramm, Programme zur Nutzung des Internets, ein Rollstuhl, eine Prothese oder eben ein Exoskelett. Das Exoskelett ist die umfassendste Form einer motorischen Neuroprothese. Andere Forschergruppen arbeiten an Arm– oder Beinprothesen. Und wieder andere tüfteln an sensorischen Prothesen: Diese sollen Sinnesorgane unterstützen. Anders als die motorischen Prothesen interagieren diese sensorischen Prothesen nicht direkt mit dem Gehirn, sondern sind mit dem Sinnesorgan verbunden. Am besten erprobt ist das Cochlea-​Implantat zur Unterstützung der Hörfunktion. Dabei wird hinter dem Ohr eine Spule eingesetzt, die über Elektroden den Hörnerv stimuliert. Zur Verbesserung des Sehvermögens bei starker Sehbehinderung kann ein Retina-​Implantat auf oder unter der Netzhaut platziert werden. Dieses leitet Lichtmuster in Form elektrischer Signale an die Netzhaut weiter, die dadurch stimuliert wird.

Ohr

Ohr/Auris/ear

Das Ohr ist nicht nur das Organ des Hörens, sondern auch des Gleichgewichts. Unterschieden werden das äußere Ohr mit Ohrmuschel und äußerem Gehörgang, das Mittelohr mit Trommelfell und den Gehörknöchelchen sowie das eigentliche Hör– und Gleichgewichtsorgan, das Innenohr mit der Gehörschnecke (Cochlea) und den Bogengängen.

Hörnerv

Hörnerv/Nervus cochlearis/auditory nerve

Die Haarzellen des Corti-​Organs erregen Neurone des Spiralganglions, das im Hohlraum der Hörschnecke liegt. Deren Axone bilden den Hörnerv, der die elektrischen Impulse vom Innenohr ins Gehirn leitet. Gemeinsam mit dem Gleichgewichtsnerv (Nervus vestibularis) bildet der Hörnerv den VIII. Hirnnerv.

Netzhaut

Netzhaut/Retina/retina

Die Netzhaut oder Retina ist die innere mit Pigmentepithel besetzte Augenhaut. Die Retina zeichnet sich durch eine inverse (umgekehrte) Anordnung aus: Licht muss erst mehrere Schichten durchdringen, bevor es auf die Fotorezeptoren (Zapfen und Stäbchen) trifft. Die Signale der Fotorezeptoren werden über den Sehnerv in verarbeitende Areale des Gehirns weitergeleitet. Grund für die inverse Anordnung ist die entwicklungsgeschichtliche Entstehung der Netzhaut, es handelt sich um eine Ausstülpung des Gehirns.
Die Netzhaut ist ca 0,2 bis 0,5 mm dick.

Science-​Fiction ist nicht weit

Die Fantasie der Ingenieure endet keineswegs damit, natürliche Körperfunktionen, so gut es geht, zu ersetzen. In kaum einem Bereich der Hirnforschung liegen Realität und Science-​Fiction so dicht beieinander wie bei Computer-​Hirn-​Schnittstellen (Beispiele aus der Science-​Fiction-​Literatur und was aus ihnen geworden ist, lesen Sie hier – Mensch 2.0).

Nun denken Forscher an neue, zusätzliche Sinnesorgane und Extremitäten. Forscher von der Universität Wisconsin-​Madison entwickelten ein Zungen-​Display, das Signale einer Videokamera in kribbelnde Reize auf der Zunge umwandelt. Anhand dieser Reize soll der Träger sich im Raum orientieren können. Der brasilianische Neurowissenschaftler Miguel Nicolelis und Kollegen trainierten Ratten darauf, Infrarotstrahlung wahrzunehmen – und zwar mittels Sensoren, die im Gehirn direkt mit ihrem somatosensorischen Cortex gekoppelt wurden. Und es gelang ihnen, Affen dazu zu bringen, mithilfe ihrer Hirnströme zwei virtuelle Arme zu kontrollieren, zusätzlich zu ihren natürlichen Armen. „Unser Gehirn ist nicht ausgelastet. Es könnte viel mehr leisten“, so Nicolelis zu das​Ge​hirn​.info. Er kann sich auch vorstellen, mithilfe der Hirnströme und kabelloser Datenübertragung, in Zukunft einen Roboter fernzusteuern, der seinerseits mit künstlichen Sinnesorganen ausgestattet ist. Dies könnte schwerstgelähmten Menschen ermöglichen, ihr Zimmer zumindest virtuell zu verlassen. Zudem: Wenn Menschen auf eine derart direkte Weise mit Maschinen kommunizieren können, sollte es dann nicht möglich sein, ganz ähnlich auch untereinander zu kommunizieren?

So utopisch das klingt: In den vergangenen Jahren gelangen drei spektakuläre Experimente, die es näher rücken lassen (siehe Infokasten).

Cortex

Großhirnrinde/Cortex cerebri/cerebral cortex

Der Cortex cerebri, kurz Cortex genannt, bezeichnet die äußerste Schicht des Großhirns. Sie ist 2,5 mm bis 5 mm dick und reich an Nervenzellen. Die Großhirnrinde ist stark gefaltet, vergleichbar einem Taschentuch in einem Becher. So entstehen zahlreiche Windungen (Gyri), Spalten (Fissurae) und Furchen (Sulci). Ausgefaltet beträgt die Oberfläche des Cortex ca 1.800 cm2.

Ethische Zweifel und das Militär

Doch spätestens hier beginnen auch die moralischen Bedenken. Da ist einmal die Debatte um das Enhancement, die Verbesserung der menschlichen Fähigkeiten über das von der Natur vorgegebene Maß. Macht dieses Projekt das Leben besser oder läutet es nur eine neue Runde im Rennen um immer mehr Leistungsfähigkeit ein, indem sich durchsetzt, wer sich die neueste Technik leisten kann? Manche warnen gar vor der Entstehung von Cyborgs – Mensch-​Maschine-​Hybriden mit unklaren Eigenschaften und unklarem moralischen Status (mehr dazu hier im Interview mit dem Deutschen Ethikrat).

Ein anderer Aspekt: Sensoren, die Signale des Gehirns aufzeichnen, können im Prinzip auch dazu genutzt werden, Signale an das Gehirn zu senden. Zum Beispiel wird mit der Tiefenhirnstimulation die Parkinson-​Krankheit längst erfolgreich behandelt; Forscher diskutieren noch, ob diese Methode auch bei anderen Erkrankungen wie dem Tourette-​Syndrom, Depressionen, chronischen Schmerzzuständen und Zwangsneurosen nützt. Dies weckt einerseits Hoffnungen auf neue Behandlungsmethoden und andererseits Bedenken, die Behandlung könne die Persönlichkeit der Patienten verändern und ihre Selbstbestimmung gefährden. Und das wiederum führt zu der Vorstellung von manipulierten oder gar ferngesteuerten Menschen – auch wenn derzeit nicht in Sicht ist, dass das real wird.

Und dann ist da noch das Militär. Die Forschungsabteilung des US-​amerikanischen Verteidigungsministeriums, DARPA, hat mit HAPTIX ein neues Projekt zur Verbesserung von Armprothesen für Amputierte gestartet und finanziert auch sonst zahlreiche Forschungsprojekte. Dabei steht immer wieder der Verdacht im Raum, es ginge ihr nicht nur um die Rehabilitation verletzter Soldaten, sondern vor allem um die Verbesserung der Leistungsfähigkeit gesunder Soldaten: um einen dritten Arm oder erhöhte Wahrnehmungskapazität. So heißt es auf der Website der Forschungsabteilung des US-​Verteidigungsministeriums: „Die Vision ist, biologische und kognitive Technologien zusammenzubringen, um die Fähigkeit der Piloten, zu fliegen, zu kämpfen und zu gewinnen, zu optimieren und zu schützen.“ Mittlerweile gibt es auch Gerüchte um Neurowaffen: Diese sollen direkt bei den Hirnströmen der feindlichen Soldaten ansetzen.

Aber so weit ist die Forschung zur Computer-​Hirn-​Schnittstelle dann doch noch nicht. Als Kommunikationsmedium ist sie für Menschen, die in ihrer Bewegungsfähigkeit sehr stark eingeschränkt sind, ein großer Gewinn. Für andere jedoch ist sie zu umständlich, um attraktiv zu sein. Ähnliches gilt für die Steuerung von Prothesen: Mit der künstlichen Hand eine Tasse an den Mund führen zu können, ist für einen Menschen, der eine Hand verloren hat, ein großer Fortschritt. An die Präzision und Flexibilität eines gesunden Organs reichen die Prothesen noch nicht heran. Doch während die Experten davor warnen, Science-​Fiction mit Machbarem zu verwechseln, zeigen die Experimente um die Computer-​Hirn-​Schnittstellen, dass da noch einiges auf uns zukommt.

zum Weiterlesen:

  • Helmut Dubiel, Tief im Hirn. Mein Leben mit Parkinson. Antje Kunstmann Verlag, München 2008
  • Miguel Nicolelis, Beyond Boundaries: The New Neuroscience of Connecting Brains with Machines — and How It Will Change Our Lives, Times Books, New York 2011
  • Rajesh P. N. Rao, Brain-​Computer Interfacing, An Introduction, Cambridge University Press 2013, (zum Abstract)
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