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Das US-Militär versucht, Gedanken zu lesen
Ein neues DARPA-Forschungsprogramm entwickelt Gehirn-Computer-Schnittstellen, die Drohnenschwärme steuern könnten, die mit Gedankengeschwindigkeit operieren. Was ist, wenn es gelingt?
16. Oktober 2019
Fotoillustration von Soldaten- und Gehirnschnittstellen Enrico Nagel
Im August wurden drei Doktoranden der Carnegie Mellon University in einem kleinen, fensterlosen Kellerlabor zusammengepfercht und benutzten einen von der Jury manipulierten 3D-Druckerrahmen, um ein Stück Mausgehirn mit Strom zu zappen.
Das aus dem Hippocampus geschnittene Gehirnfragment sah aus wie ein Stück dünn geschnittener Knoblauch. Es ruhte auf einer Plattform in der Nähe der Mitte der Vorrichtung. Ein schmales Rohr badete die Scheibe in einer Lösung aus Salz, Glukose und Aminosäuren. Dies hielt es in gewisser Weise am Leben: Neuronen in der Scheibe feuerten weiter und ermöglichten es den Experimentatoren, Daten zu sammeln. Eine Reihe von Elektroden unter der Scheibe lieferte die elektrischen Zaps, während eine spritzenähnliche Metallsonde maß, wie die Neuronen reagierten. Helle LED-Lampen beleuchteten die Schale. Das Setup, um den Jargon der Labormitglieder zu verwenden, war ziemlich abgehackt.
Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom November 2019
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Ein Monitor neben der Anlage zeigte Stimulus und Reaktion: Stromstößen von den Elektroden folgten Millisekunden später feuernde Neuronen. Später würden die Forscher ein Material mit den gleichen elektrischen und optischen Eigenschaften wie ein menschlicher Schädel zwischen die Scheibe und die Elektroden legen, um zu sehen, ob sie den Hippocampus der Maus auch durch den simulierten Schädel stimulieren könnten.
Sie taten dies, weil sie in der Lage sein wollten, Signale im menschlichen Gehirn zu erkennen und zu manipulieren, ohne den Schädel durchschneiden und empfindliches Gehirngewebe berühren zu müssen. Ihr Ziel ist es, letztendlich genaue und empfindliche Gehirn-Computer-Schnittstellen zu entwickeln, die wie ein Helm oder ein Stirnband auf- und abgesetzt werden können – ohne dass eine Operation erforderlich ist.
Menschliche Schädel sind weniger als einen Zentimeter dick: Die genaue Dicke variiert von Person zu Person und Ort zu Ort. Sie fungieren als Unschärfefilter, der Wellenformen zerstreut, seien es elektrische Ströme, Licht oder Ton. Neuronen im Gehirn können einen Durchmesser von nur wenigen tausendstel Millimetern haben und elektrische Impulse erzeugen, die so schwach sind wie ein Zwanzigstel Volt.
Das Experiment der Studenten sollte eine Basis von Daten sammeln, mit denen sie die Ergebnisse einer neuen Technik vergleichen konnten, die Pulkit Grover, der Hauptforscher des Teams, zu entwickeln hofft.
Nichts davon ist [jetzt] möglich, und es ist wirklich schwer zu tun, sagt Grover. Er ist Co-Leiter eines von sechs Teams, die am Next-Generation Nonsurgical Neurotechnology Program oder N³, a, teilnehmen In diesem Jahr von der Defense Advanced Research Projects Agency ins Leben gerufene Bemühungen in Höhe von 104 Millionen US-Dollar , oder DARPA. Während Grovers Team elektrische und Ultraschallsignale manipuliert, verwenden andere Teams optische oder magnetische Techniken. Wenn einer dieser Ansätze erfolgreich ist, werden die Ergebnisse transformativ sein.
Eine Operation ist teuer, und eine Operation zur Schaffung einer neuen Art von Superkriegern ist ethisch kompliziert. Ein Gedankenlesegerät, das keine Operation erfordert, würde eine Welt voller Möglichkeiten eröffnen. Gehirn-Computer-Schnittstellen oder BCIs wurden verwendet, um Menschen mit Quadriplegie zu helfen, eine begrenzte Kontrolle über ihren Körper zurückzugewinnen, und um Veteranen, die im Irak und in Afghanistan Gliedmaßen verloren haben, die Kontrolle über künstliche zu ermöglichen. N³ ist der erste ernsthafte Versuch des US-Militärs, BCIs mit einem kriegerischeren Zweck zu entwickeln. Mit Drohnen und Drohnenschwärmen arbeiten, eher mit Gedankengeschwindigkeit als mit mechanischen Geräten arbeiten – für solche Dinge sind diese Geräte wirklich da, sagt Al Emondi, der Direktor von N³.
Der Informatiker Jacques J. Vidal von der UCLA verwendete den Begriff Gehirn-Computer-Schnittstelle erstmals Anfang der 1970er Jahre; Es ist einer dieser Ausdrücke, wie künstliche Intelligenz, deren Definition sich weiterentwickelt, wenn sich die Fähigkeiten entwickeln, die sie beschreibt. Als erste Schnittstelle zwischen Gehirn und Computer könnte die Elektroenzephalographie (EEG) gelten, die die elektrische Aktivität im Gehirn über Elektroden am Schädel aufzeichnet. In den späten 1990er Jahren hatten Forscher der Case Western Reserve University das EEG verwendet, um die Gehirnströme eines Querschnittsgelähmten zu interpretieren, was es ihm ermöglichte, einen Computercursor über einen Draht zu bewegen, der von den Elektroden auf seiner Kopfhaut ausging.
Seitdem haben sich sowohl invasive als auch nichtinvasive Techniken zum Ablesen des Gehirns weiterentwickelt. Ebenso Geräte, die das Gehirn mit elektrischen Signalen stimulieren, um Erkrankungen wie Epilepsie zu behandeln. Der wohl leistungsfähigste Mechanismus, der bisher entwickelt wurde, wird als Utah-Array bezeichnet. Es sieht aus wie ein kleines Bett aus Stacheln, insgesamt etwa halb so groß wie ein kleiner Fingernagel, das einen bestimmten Teil des Gehirns durchdringen kann.
Eines Tages im Jahr 2010, während eines Urlaubs in den Outer Banks von North Carolina, tauchte Ian Burkhart ins Meer und schlug mit dem Kopf auf eine Sandbank. Er quetschte sich das Rückenmark und verlor die Funktion ab dem sechsten Halsnerv abwärts. Er konnte seine Arme noch an Schulter und Ellbogen bewegen, aber nicht seine Hände oder Beine. Physiotherapie hat nicht viel geholfen. Er fragte seine Ärzte am Wexner Medical Center der Ohio State University, ob sie noch etwas tun könnten. Es stellte sich heraus, dass Wexner hoffte, zusammen mit Battelle, einem gemeinnützigen Forschungsunternehmen, eine Studie durchführen zu können, um zu sehen, ob sie ein Utah-Array verwenden könnten, um die Gliedmaßen einer gelähmten Person wiederzubeleben.
Wo das EEG die aggregierte Aktivität unzähliger Neuronen zeigt, können Utah-Arrays die Impulse von einer kleinen Anzahl von ihnen oder sogar von einem einzigen aufzeichnen. 2014 implantierten Ärzte ein Utah-Array in Burkharts Kopf. Das Array maß das elektrische Feld an 96 Stellen in seinem motorischen Kortex 30.000 Mal pro Sekunde. Burkhart kam über ein Jahr lang mehrmals pro Woche ins Labor, und Battelle-Forscher trainierten ihre Signalverarbeitungsalgorithmen, um seine Absichten zu erfassen, während er angestrengt und systematisch darüber nachdachte, wie er seine Hand bewegen würde, wenn er könnte.
Ein dickes Kabel, das mit einem Sockel aus Burkharts Schädel verbunden war, schickte die vom Utah-Array gemessenen Impulse an einen Computer. Der Computer entschlüsselte sie und übermittelte dann Signale an eine Elektrodenmanschette, die fast seinen rechten Unterarm bedeckte. Die Hülle aktivierte seine Muskeln, um die Bewegungen auszuführen, die er beabsichtigte, wie z. B. das Greifen, Heben und Leeren einer Flasche oder das Entfernen einer Kreditkarte aus seiner Brieftasche.
Das machte Burkhart zu einem der ersten Menschen, der durch einen solchen neuronalen Bypass die Kontrolle über seine eigenen Muskeln zurückerlangte. Battelle – ein weiteres Team im N³-Programm – arbeitet nun mit ihm zusammen, um zu sehen, ob sie die gleichen Ergebnisse ohne ein Schädelimplantat erzielen können.
Das bedeutet, nicht nur neue Geräte zu entwickeln, sondern auch bessere Signalverarbeitungstechniken, um die schwächeren, verworrenen Signale zu verstehen, die von außerhalb des Schädels aufgenommen werden können. Aus diesem Grund wird das N³-Team von Carnegie Mellon von Grover geleitet – einem ausgebildeten Elektroingenieur, nicht einem Neurowissenschaftler.
Ich bin super motiviert dafür – mehr als jeder andere im Raum.
Kurz nachdem Grover in Carnegie Mellon ankam, lud ihn ein Freund von der University of Pittsburgh Medical School ein, an klinischen Treffen für Epilepsiepatienten teilzunehmen. Er begann zu vermuten, dass aus dem EEG viel mehr Informationen über das Gehirn abgeleitet werden könnten, als irgendjemand ihm zugetraut hätte – und umgekehrt, dass eine geschickte Manipulation externer Signale Auswirkungen tief im Gehirn haben könnte. Ein paar Jahre später veröffentlichte ein Team unter der Leitung von Edward Boyden am Center for Neurobiological Engineering des MIT eine bemerkenswerte Arbeit, die weit über Grovers allgemeine Intuition hinausging.
Boydens Gruppe hatte zwei elektrische Signale mit hohen, aber leicht unterschiedlichen Frequenzen an die Außenseite des Schädels angelegt. Diese betrafen nicht die Neuronen nahe der Oberfläche des Gehirns, sondern die tiefer liegenden. In einem Phänomen, das als konstruktive Interferenz bekannt ist, erzeugten sie zusammen ein Signal mit niedrigerer Frequenz, das die Neuronen zum Feuern anregte.
Grover und seine Gruppe arbeiten nun daran, Boydens Ergebnisse mit Hunderten von Elektroden zu erweitern, die auf der Oberfläche des Schädels platziert werden, um sowohl kleine Regionen im Inneren des Gehirns präzise anzuvisieren als auch das Signal so zu lenken, dass es von einer Gehirnregion zu einer wechseln kann eine andere, während die Elektroden an Ort und Stelle bleiben. Es ist eine Idee, sagt Grover, die Neurowissenschaftler wahrscheinlich nicht gehabt hätten.
Am Applied Physics Laboratory (APL) der Johns Hopkins University verwendet ein anderes N³-Team einen völlig anderen Ansatz: Nahinfrarotlicht.
Gegenwärtig wird angenommen, dass Nervengewebe anschwillt und sich zusammenzieht, wenn Neuronen elektrische Signale abgeben. Diese Signale werden von Wissenschaftlern mit EEG, einem Utah-Array oder anderen Techniken aufgezeichnet. Dave Blodgett von APL argumentiert, dass das Anschwellen und Zusammenziehen des Gewebes ein ebenso gutes Signal für neuronale Aktivität ist, und er möchte ein optisches System bauen, das diese Veränderungen messen kann.
Die Techniken der Vergangenheit konnten solche winzigen physischen Bewegungen nicht erfassen. Aber Blodgett und sein Team haben bereits gezeigt, dass sie die neuronale Aktivität einer Maus sehen können, wenn sie mit einem Schnurrhaar schnippt. Zehn Millisekunden nachdem ein Schnurrhaar zuckt, zeichnet Blodgett mit seiner optischen Messtechnik die entsprechenden Neuronen auf, die feuern. (Es gibt 1.000 Millisekunden in einer Sekunde und 1.000 Mikrosekunden in einer Millisekunde.) In freigelegtem neuralem Gewebe hat sein Team die neurale Aktivität innerhalb von 10 Mikrosekunden aufgezeichnet – genauso schnell wie ein Utah-Array oder andere elektrische Methoden.
Die nächste Herausforderung besteht darin, all das durch den Schädel zu tun. Das mag unmöglich klingen, schließlich sind Schädel für sichtbares Licht nicht transparent. Nahinfrarotlicht kann jedoch durch Knochen dringen. Blodgetts Team feuert schwache Infrarotlaser durch den Schädel und misst dann, wie das Licht dieser Laser gestreut wird. Er hofft, dass sie daraus Rückschlüsse auf die neuronale Aktivität ziehen können. Der Ansatz ist weniger gut erprobt als die Verwendung elektrischer Signale, aber das sind genau die Arten von Risiken, die DARPA-Programme eingehen sollen.
Zurück in Battelle entwickelt Gaurav Sharma eine neue Art von Nanopartikeln, die die Blut-Hirn-Schranke überwinden können. DARPA nennt dies eine minimal-invasive Technik. Das Nanopartikel hat einen magnetempfindlichen Kern in einer Hülle aus einem Material, das bei Druck Strom erzeugt. Setzt man diese Nanopartikel einem Magnetfeld aus, belastet der innere Kern die Hülle, die dann einen kleinen Strom erzeugt. Ein Magnetfeld sei viel besser als Licht, um durch den Schädel zu sehen, sagt Sharma. Verschiedene Magnetspulen ermöglichen es den Wissenschaftlern, auf bestimmte Teile des Gehirns abzuzielen, und der Prozess kann umgekehrt werden – elektrische Ströme können in Magnetfelder umgewandelt werden, sodass die Signale gelesen werden können.
Es bleibt abzuwarten, welcher dieser Ansätze Erfolg haben wird. Andere N³-Teams verwenden verschiedene Kombinationen von Licht, elektrischen, magnetischen und Ultraschallwellen, um Signale in das und aus dem Gehirn zu bekommen. Die Wissenschaft ist zweifellos spannend. Aber diese Aufregung kann darüber hinwegtäuschen, wie schlecht das Pentagon und Unternehmen wie Facebook, die ebenfalls BCIs entwickeln, in der Lage sind, die Vielzahl ethischer, rechtlicher und sozialer Fragen anzugehen, die eine nichtinvasive BCI aufwirft. Wie könnten Schwärme von Drohnen, die direkt von einem menschlichen Gehirn gesteuert werden, die Art der Kriegsführung verändern? Emondi, der Leiter von N³, sagt, dass neuronale Schnittstellen so verwendet werden, wie sie gebraucht werden. Aber die militärische Notwendigkeit ist ein formbares Kriterium.
Im August besuchte ich ein Labor in Battelle, wo Burkhart die letzten Stunden damit verbracht hatte, über einen neuen Ärmel nachzudenken, der mit 150 Elektroden ausgestattet war, die seine Armmuskeln stimulieren. Er und die Forscher hofften, dass sie die Hülse zum Laufen bringen könnten, ohne sich auf das Utah-Array verlassen zu müssen, um Gehirnsignale aufzunehmen.
Ian Burkhart (links) wurde durch einen Unfall gelähmt und arbeitet mit Forschern von Battelle zusammen, um bessere Gehirn-Computer-Schnittstellen zu entwickeln.
Burkhart ließ sich 2014 ein Utah-Array, rechts abgebildet, in seinen motorischen Kortex implantieren. Die Battelle-Gruppe versucht nun, eine Möglichkeit zu entwickeln, seine Gehirnsignale ohne ein chirurgisches Implantat zu lesen.
Wenn Ihr Rückenmark gebrochen ist, ist es harte Arbeit, daran zu denken, Ihren Arm zu bewegen. Burkhart war müde. Es gibt eine abgestufte Leistung: Wie viel ich über etwas nachdenke, bedeutet wie viel Bewegung, sagte er mir. Während Sie vor [dem Unfall] nicht denken: „Öffnen Sie Ihre Hand“ – der Rest von uns nimmt einfach die Flasche. Aber ich bin super motiviert dafür – mehr als jeder andere im Raum, sagte er. Burkhart machte es einfach, das Potenzial der Technologie zu erkennen.
Er erzählte mir, dass er stärker und geschickter geworden ist, seit er mit dem Utah-Array arbeitet, selbst wenn er es nicht benutzt – so sehr, dass er jetzt alleine lebt und nur wenige Stunden am Tag Hilfe benötigt. Ich spreche mehr mit meinen Händen. Ich kann mein Handy festhalten, sagt er. Wenn es zu etwas wird, das ich jeden Tag verwenden kann, würde ich es so lange tragen, wie ich kann.
Paul Tullis ist ein in Amsterdam lebender Schriftsteller.