Brain-Computer-Interfaces (BCI) Durchbrüche, die Menschen mit Behinderungen befähigen, Fähigkeiten wiederherzustellen und zu gedeihen

Der technologische Fortschritt entwickelt sich in einem solch rasanten Tempo, dass Menschen mit Behinderungen jetzt nur mit ihren Gedanken sprechen, gehen, Spiele spielen und vieles mehr tun können.

Diese Entwicklung wurde durch Fortschritte in der Brain-Computer-Interface (BCI)-Technologie vorangetrieben. BCIs ermöglichen es Personen, externe Geräte, wie Computer, nur mit ihren Gedanken zu steuern. Diese Schnittstellen funktionieren, indem sie Gehirnsignale erfassen, analysieren und in Befehle übersetzen, die an das Ausgabegerät weitergeleitet werden können.

BCIs haben ein breites Anwendungsspektrum, einschließlich der Unterstützung von Menschen mit Behinderungen durch Wiederherstellung von Funktionen, die durch Erkrankungen wie Schlaganfall, Neurodegeneration und Rückenmarksverletzungen verloren gingen. Durch die Wiederherstellung von Fähigkeiten wie Sehen, Sprechen und motorischer Funktion zeigen BCIs das Potenzial, menschliche Fähigkeiten zu erweitern.

Je nachdem, wie die Signale aus dem Gehirn entnommen werden, kann das Brain-Computer-Interface entweder bezeichnet werden:

1. Invasiv, bei dem Elektroden direkt in den Kortex implantiert werden
2. Semi-invasiv, bei dem Elektroden auf der freiliegenden Oberfläche des Gehirns platziert werden
3. Nicht-invasiv, bei dem Elektroden auf der Kopfhaut platziert werden

Im vergangenen Jahrzehnt haben Forschung und Entwicklung im Bereich der BCI-Technologie erheblich zugenommen. Neueste Fortschritte haben es Personen mit schwerer Lähmung ermöglicht, durch Übersetzung ihrer Gehirnsignale in Text zu kommunizieren und die Kontrolle über Prothesen oder ihre Muskeln zurückzugewinnen. BCIs werden außerdem erforscht, um das Gedächtnis zu verbessern, das Lernen zu fördern und psychische Gesundheitsprobleme anzugehen.

Bei all den Entwicklungen im BCI‑Bereich, lassen Sie uns einen Blick auf die neuesten Durchbrüche von Wissenschaftlern werfen, die das Potenzial haben, menschliche Fähigkeiten erheblich zu verbessern.

Wiederherstellung der Sprachfähigkeit mit hoher Genauigkeit

In einer im vergangenen Monat veröffentlichten Studie entwickelten Forscher ein neues BCI, das Gehirnsignale in Sprache übersetzt mit einer Genauigkeit von bis zu 97 %, was eines der genauesten Systeme seiner Art ist.

Die Sensoren wurden im Gehirn von Casey Harrell, einem 45‑jährigen Mann, implantiert, der aufgrund von Amyotropher Lateralsklerose (ALS) stark beeinträchtigte Sprache hatte. Auch als Lou‑Gehrig‑Krankheit bekannt, betrifft diese neurologische Störung die Nervenzellen, die die Bewegung im gesamten Körper steuern, und führt zu einem allmählichen Verlust der Fähigkeit zu gehen, zu stehen und zu sprechen.

Als Harrell an der BrainGate‑Studie teilnahm, war seine Sprache unverständlich, und andere mussten sie für ihn interpretieren. Doch innerhalb weniger Minuten nach Aktivierung des BCI‑Systems konnte er seine beabsichtigte Sprache kommunizieren.

UC Davis Health entwickelte diese neue BCI‑Technologie für Menschen mit neurologischen Erkrankungen, die nicht über Sprache kommunizieren können.

Wenn ein Nutzer versucht zu sprechen, interpretiert das neue System Gehirnsignale, bevor es sie in Text umwandelt, der dann vom Computer laut „gesprochen“ wird.

„Unsere BCI‑Technologie half einem Mann mit Lähmung, mit Freunden, Familien und Pflegekräften zu kommunizieren.“

– David Brandman, Co‑Senior‑Autor und Co‑Hauptforscher der Studie sowie Neurochirurg an der UC Davis

Er fügte außerdem hinzu, dass ihr Experiment die „genaueste Sprach‑Neuroprothese (Gerät), die je berichtet wurde“, demonstriert habe.

Brandman, der zudem Assistenzprofessor in der UC Davis Abteilung für Neurochirurgie und Co‑Direktor des UC Davis Neuroprothetik‑Labors ist, implantierte das BCI‑Gerät im Juli letzten Jahres. Vier Mikroelektroden‑Arrays wurden in den Hirnregionen, die für die Sprachkoordination verantwortlich sind, den linken präkortikalen Gyrus, implantiert. Diese Arrays nutzen 256 kortikale Elektroden, um die Gehirnaktivität aufzuzeichnen.

Mit diesem Gerät werden die Versuche der Patienten, Muskeln zu bewegen und zu sprechen, erkannt.

„Wir zeichnen den Teil des Gehirns auf, der versucht, diese Befehle an die Muskeln zu senden. Und wir hören im Grunde genommen zu und übersetzen diese Muster der Gehirnaktivität in ein Phonem – wie eine Silbe oder die Einheit der Sprache – und dann in die Wörter, die sie sagen wollen.“

– Neurowissenschaftler Sergey Stavisky, Co‑Hauptforscher der Studie und Assistenzprofessor in der Abteilung für Neurochirurgie sowie Co‑Direktor des UC Davis Neuroprothetik‑Labors

Die BCI‑Technologie hat sich in den letzten Jahren stark weiterentwickelt, doch die Bemühungen, Kommunikation zu ermöglichen, waren langsam und anfällig für häufige Wortfehler. Das liegt daran, dass maschinelle Lernprogramme, die Gehirnsignale interpretieren, viel Zeit und Daten benötigen.

Das neue System zielt darauf ab, diese Kommunikationsbarriere zu beseitigen, die es dem Nutzer erschwert, konsequent verstanden zu werden.

„Unser Ziel war es, ein System zu entwickeln, das es jemandem ermöglicht, jederzeit verstanden zu werden, wenn er sprechen möchte.“

– Brandman

Der Patient nutzte das System sowohl in spontanen als auch in aufgeforderten Gesprächssituationen. Die schnelle Dekodierung erfolgte in beiden Fällen in Echtzeit mit ständigen Aktualisierungen, die eine genaue Funktionsweise gewährleisteten. Die dekodierten Wörter wurden dann auf einem Bildschirm angezeigt und vom Computer laut vorgelesen.

Die Stimme, die es laut vorlas, war tatsächlich die Stimme des Patienten vor seiner ALS. Dafür nutzten die Forscher eine Software, die mit vorhandenen Audioaufnahmen der Stimme des Patienten vor der ALS trainiert wurde.

Die erste Sprachdatentrainingssitzung benötigte nur eine halbe Stunde, um eine beeindruckende Wortgenauigkeit von 99,6 % bei einem Wortschatz von 50 Wörtern zu erreichen. Die nächste Sitzung erforderte weitere 1,4 Stunden Trainingsdaten, um eine Wortgenauigkeit von 90,2 % bei einem Wortschatz von 125.000 Wörtern zu erzielen. Durch fortlaufende Datensammlung hielt das BCI eine Genauigkeit von 97,5 %.

Diese Fähigkeit, das, was die Person mit dem Implantat sagt, zu etwa 97 % korrekt zu dekodieren, ist laut Brandman „besser als viele kommerziell verfügbare Smartphone‑Anwendungen, die versuchen, die Stimme einer Person zu interpretieren.“

Die Studie führte 84 Datensammlungssitzungen über 32 Wochen durch. Der Patient nutzte das BCI für die Kommunikation per Video‑Chat und persönlich für mehr als 248 Stunden.

Verbesserung von Kommunikation und Mobilität mit einzigartigen BCI‑Systemen

Eine weitere bedeutende Entwicklung der letzten Monate kam von der Carnegie Mellon University, wo Forscher in der Lage waren, bidirektionale BCI‑Funktionalität zu erreichen. Dieser Fortschritt verbessert die Fähigkeit der Schnittstelle, Gehirnsignale zu interpretieren und sensorisches Feedback direkt zurück ins Gehirn zu senden.

Bin He, Professor für Biomedizinische Technik an der Universität, und seine Gruppe waren erfolgreich darin, fokussierte Ultraschallstimulation zu integrieren, um erstmals eine doppelte Kommunikation zu realisieren.

In einer Studie mit 25 Probanden nutzte das bidirektionale BCI maschinelles Lernen, um Gehirnwellen zu codieren und zu dekodieren. Diese Entwicklung hat das Potenzial, die Signalqualität und die Gesamtleistung nicht-invasiver BCI erheblich zu verbessern, indem gezielte neuronale Schaltkreise stimuliert werden.

Obwohl nicht-invasive BCI‑Technologie sicher und kostengünstig ist, hat die Tatsache, dass sie Signale über die Kopfhaut statt aus dem Inneren des Gehirns aufzeichnet, und die Qualität ihrer Signale Einschränkungen.

Daher arbeitet die Gruppe der Carnegie Mellon University daran, die Effektivität nicht-invasiver BCIs zu verbessern. Dies hat dazu geführt, dass Deep‑Learning‑Ansätze verwendet werden, um genau zu dekodieren, was jemand denkt, und anschließend die Steuerung eines Roboterarms oder Cursors zu ermöglichen. In ihrer neuesten Forschung nutzte die Gruppe fokussierten Ultraschall für präzise nicht-invasive Neuromodulation, und die Ergebnisse zeigten eine signifikante Steigerung der EEG‑basierten BCI‑Kommunikationsleistung.

Die Probanden in der Studie nutzten einen BCI‑Buchstabierer, ein visuelles Bewegungshilfsmittel, das häufig von Nicht‑Sprechenden verwendet wird, um zu kommunizieren und Phrasen wie „Carnegie Mellon“ zu buchstabieren.

In der Studie setzten die Probanden eine EEG‑Kappe auf und erzeugten EEG‑Signale, indem sie einfach auf Buchstaben schauten, um die gewünschten Wörter zu buchstabieren.

Durch die Anwendung eines fokussierten Ultraschallstrahls auf das V5‑Gebiet des Gehirns, das Teil des visuellen Kortex ist, konnten die Forscher die Leistung des nicht-invasiven BCI bei den Probanden erheblich verbessern.

„Die BRAIN Initiative hat seit ihrer Gründung mehr als 60 Ultraschallprojekte unterstützt. Diese einzigartige Anwendung nicht-invasiver Aufzeichnungs‑ und Modulationstechnologien erweitert das Werkzeugset und könnte einen skalierbaren Einfluss darauf haben, Menschen mit Kommunikationsbehinderungen zu unterstützen.“

– Dr. Grace Hwang, Programmleiterin der BRAIN Initiative beim NIH

Doch eine weitere bedeutende Entwicklung wurde im letzten Jahr beobachtet, als BCI einem gelähmten Mann nach einer Rückenmarksverletzung nicht nur das Aufstehen, sondern auch das natürliche Gehen ermöglichte. Diese Gehirn‑Wirbelsäulen‑Schnittstelle gewann den Physics World 2023 Breakthrough of the Year.

Dieses System umfasste zwei vollständig implantierbare Geräte, eines, das die Gehirnaktivität im Zusammenhang mit Beinbewegungen aufzeichnet, und das andere, das das Rückenmark elektrisch stimuliert, um die Beinmuskulatur zu steuern. Dies schuf eine „digitale Brücke“, die einer Person mit Lähmung von Armen und Beinen das Gehen ermöglichte.

Die ECoG‑Signale aus dem Gehirn wurden mit einem 64‑Kanal‑Elektroden‑Gitter überwacht, das in einem Titangehäuse mit derselben Dicke wie der Schädel eingebettet war.

Die Technologie wurde auf Basis von WIMAGINE entwickelt, einem einzigartigen implantierbaren medizinischen Gerät, das die Gehirnaktivität an der Oberfläche des Kortex aufzeichnen kann. Ein spezieller KI‑Algorithmus wurde ebenfalls entwickelt, um die Bewegungsabsicht eines Patienten in Echtzeit zu dekodieren.

Im klinischen Versuch des Geräts wurde einem 38‑jährigen Mann mit einer unvollständigen zervikalen Rückenmarksverletzung, die er vor einem Jahrzehnt bei einem Fahrradunfall erlitten hatte, chirurgisch zwei Geräte im Gehirn und ein Paddle‑Lead am lumbalen Rückenmark implantiert.

Mit dem BSI konnte der Patient Treppen steigen, Hindernisse überwinden und sich auf wechselndem Terrain bewegen. Darüber hinaus war das BSI über mehr als ein Jahr Nutzung hinweg stabil und zuverlässig ohne Aufsicht.

Aber was ist mit der Sicherheit von BCI‑Geräten?

Mit all diesen Fortschritten gibt es zahlreiche Bedenken hinsichtlich des Umgangs mit neuronalen Daten und Cybersecurity‑Bedrohungen wie Brain‑Tapping und irreführenden Stimulus‑Angriffen. Ein weiteres großes Anliegen betrifft das Sicherheitsprofil des Brain‑Computer‑Interfaces.

Bei invasiven BCIs besteht das Risiko von Hirninfektionen, Gewebeschäden, Anfällen, Blutungen und Hämatomen. Im Gegensatz dazu können nicht-invasive BCIs Kopfschmerzen, Augenbelastungen und Hautreizungen durch längere Exposition gegenüber elektromagnetischen Feldern verursachen.

Während diese Bedenken berechtigt sind, hat eine Studie von Forschern der Brown University fast zwei Jahrzehnte Sicherheitsdaten aus klinischen Studien zur BrainGate‑Technologie analysiert und niedrige Raten von Nebenwirkungen festgestellt.

Das BrainGate‑BCI wird seit mehr als zwanzig Jahren entwickelt, und die neueste Studie kommt zu dem Schluss, dass seine Neurotechnologie weiterhin bewertet werden sollte, um ihr Potenzial zu prüfen, Menschen mit Lähmung zu helfen, Gedanken über Bewegung in tatsächliche Aktionen umzusetzen und verlorene neurologische Funktionen wiederzuerlangen.

Laut Dr. Leigh R. Hochberg, Professor für Gehirnwissenschaften an der Brown University und Direktor des BrainGate‑Akademiekonsortiums, das die Entwicklung und Testung der Technologie leitet:

„Im größten laufenden Versuch mit intrakortikalen Brain‑Computer‑Interfaces unterstützt das heute berichtete Zwischen‑Sicherheitsprofil die Möglichkeit, dass diese Systeme zu restaurativen Neurotechnologien für Menschen mit Lähmung werden könnten.“

Während intrakortikale BCIs ein enormes Potenzial für Mobilität und Gemeinschafts‑Wiederherstellung zeigen, sagte Hochberg, dass es für die Umsetzung dieser Fortschritte in die Patientenversorgung darauf ankomme, „ob die Geräte von einem akzeptabel niedrigen Risikograd begleitet werden.“

Der Sicherheitsbericht bewertete etwas mehr als 12.200 Tage Sicherheitsdaten von 14 klinischen Studienteilnehmern im Alter von 18‑75 Jahren mit Quadriparese infolge von ALS, Rückenmarksverletzung oder Hirnstamm‑Schlaganfall.

Zwischen 2004 und 2021, als all diese Patienten in die Studien eingeschlossen wurden, wurden 68 gerätebezogene Nebenwirkungen festgestellt. Hautreizungen waren das häufigste Problem und traten im kleinen Teil des Geräts auf.

Sechs Nebenwirkungen wurden mit dem chirurgischen Eingriff in Verbindung gebracht. Zwei Teilnehmer mit einer Vorgeschichte von traumatischen Hirnverletzungen erlitten nach der Operation kurze Anfälle, die jedoch leicht behandelt wurden.

Obwohl es Nebenwirkungen gab, waren keine der dokumentierten unerwartet. Außerdem führten keine dieser Nebenwirkungen zu Infektionen des Nervensystems, die eine Geräteentfernung erforderten, oder zu dauerhaft erhöhten Behinderungen.

Obwohl die beruhigenden Sicherheitsbefunde des BrainGate Neural Interface‑Systems einen großen Fortschritt darstellen, bleibt noch viel Arbeit, einschließlich der Sicherstellung, dass Geräte vollständig implantiert werden und den Nutzern rund um die Uhr zur Verfügung stehen.

Unternehmen, die im Bereich BCI Fortschritte machen

Synchron, Blackrock Neurotech, Kernel und Emotiv gehören zu den vielen Organisationen, die daran arbeiten, diese Technologie voranzutreiben und ihre Anwendungen in den Bereichen Medizin, Kognition und Unterhaltung zu erforschen.

Die Mehrheit dieser Unternehmen ist privat gehalten, und es ist selten, dass öffentliche Unternehmen in diesem Bereich Fortschritte erzielen. Diejenigen, die öffentlich sind, gehören zu größeren Organisationen. Zum Beispiel wurde NextMind, das ein nicht-invasives BCI‑Gerät entwickelte, von Snap Inc. übernommen. Ein weiteres Beispiel ist Ctrl‑labs, ein Startup für neuronale Schnittstellen, das von Meta (ehemals Facebook) übernommen wurde.

Schauen wir uns also einige prominente Namen an, die an der Spitze der BCI‑Technologie stehen:

#1. Neurable 

Neurable ist ein Neurotechnologie‑Unternehmen, das KI‑gestützte Werkzeuge zur Übersetzung von Gehirnsignalen und BCI‑Technologie entwickelt. Im Mai 2024 sammelte das Unternehmen 13 Mio. $, was die Gesamtfinanzierung seit seiner Gründung auf über 30 Mio. $ erhöht. Ende 2019 erhielt Neurable 6 Mio. $ in einer Series‑A‑Finanzierungsrunde, um über VR‑Anwendungen hinauszugehen und nicht-invasive BCI zu entwickeln, zwei Jahre nachdem es das weltweit erste gedankengesteuerte VR‑Spiel vorgestellt hatte.

Jetzt, mit der neuen Finanzierungsrunde, strebt das Unternehmen an, seine Technologie „für alle zugänglich“ zu machen, sagte CEO Dr. Ramses Alcaide und fügte hinzu:

„Wir befähigen Einzelpersonen, ihr eigenes Gehirn zu verstehen, die menschliche Leistung zu optimieren und die drängendsten Gesundheitsherausforderungen unserer Generation zu bewältigen.“

#2. Precision Neuroscience

Dieses Unternehmen stellte kürzlich einen Weltrekord für die Anzahl der Elektroden auf, insgesamt 4.096, die am menschlichen Gehirn platziert wurden, um kortikale Daten aufzuzeichnen. Die Entwicklung erfolgte im Rahmen der Tests von Precision Neuroscience an seiner Layer‑7‑Kortikalen Schnittstelle. Dieser Erfolg wird voraussichtlich dem Unternehmen helfen, „das Gehirn viel tiefer zu verstehen.“

Precision Neuroscience wurde von Benjamin Rapoport gegründet, einem Neurochirurgen, der Mitbegründer von Neuralink war, aber aus Sicherheitsgründen ausstieg.

#3. Neuralink

Gegründet von Elon Musk, ist Neuralink ein US‑basiertes privates Unternehmen, das Hochgeschwindigkeits‑BCIs entwickelt, um neurologische Erkrankungen zu behandeln und schließlich die kognitiven Fähigkeiten des Menschen zu verbessern. Der Schwerpunkt des Unternehmens liegt auf der Entwicklung implantierbarer Geräte, die große Mengen von Neuronen lesen und stimulieren können.

Zuletzt nutzte die zweite Person mit einem Neuralink‑Gehirnchip, der im Gegensatz zum ersten vollständig am Gehirn befestigt bleibt, das Implantat, um das beliebte Videospiel Counter‑Strike 2 zu spielen. Der Chip wurde letzten Monat implantiert, und der Patient hatte Berichten zufolge eine „glatte“ Genesung. Der Patient hatte nach einer Rückenmarksverletzung die Kontrolle über die Gliedmaßen verloren.

Diese Entwicklung erfolgte, nachdem beim ersten Patienten 85 % der an sein Gehirn angeschlossenen Elektroden verschoben waren, obwohl er das Implantat weiterhin effektiv nutzen konnte. Das Unternehmen reduzierte einige Gegenmaßnahmen, um das Problem zu vermeiden, und bisher wurde keine Drahtzurückziehung beobachtet.

Während seines letzten Auftritts im Lex‑Fridman‑Podcast sagte Musk voraus, dass ein Mensch mit einem chip‑verbesserten Gehirn, der einen professionellen Videospieler besiegt, nicht mehr weit entfernt sei. Im Gespräch über die Zukunft erklärte Musk außerdem, dass das langfristige Ziel von Neuralink darin besteht, die Symbiose von KI und Menschen zu verbessern, indem die Kommunikationsfähigkeit eines Individuums in großem Maßstab gesteigert wird.

Fazit 

Die BCI‑Technologie hat in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit und Schwung gewonnen, und diese Entwicklung zeigt keine Anzeichen einer Verlangsamung. Tatsächlich werden ständig neue Rekorde und Durchbrüche erzielt, die nicht nur Menschen mit Behinderungen ein erfüllteres Leben ermöglichen, sondern auch das Potenzial zeigen, die Fähigkeiten gesunder Menschen zu erweitern.

Obwohl der Weg zur Implementierung dieser Technologie derzeit noch lang ist, zeigt der kontinuierliche Fortschritt, dass das, was einst Science‑Fiction war, bald Realität werden könnte.

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