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Eine Gehirn-Computer-Schnittstelle, die drahtlos funktioniert
Einige gelähmte Patienten könnten bald eine drahtlose Gehirn-Computer-Schnittstelle verwenden, die ihre Gedankenbefehle so schnell streamen kann wie eine Internetverbindung zu Hause.
Eine drahtlose Gehirnschnittstelle verwendet den abgebildeten am Kopf getragenen Sender.
Nach mehr als einem Jahrzehnt technischer Arbeit haben Forscher der Brown University und eines Unternehmens in Utah, Blackrock Microsystems, ein drahtloses Gerät kommerzialisiert, das am Schädel einer Person befestigt werden kann und über Funk Gedankenbefehle überträgt, die von einem Gehirnimplantat gesammelt wurden. Blackrock sagt, es werde die Genehmigung für das System bei der US-amerikanischen Food and Drug Administration einholen, damit die mentale Fernbedienung möglicherweise noch in diesem Jahr an Freiwilligen getestet werden kann.
Das Gerät wurde von einem Konsortium namens BrainGate entwickelt, das seinen Sitz in Brown hat und als eines der ersten Implantate in das Gehirn gelähmter Menschen platzierte und zeigte, dass elektrische Signale, die von Neuronen im Kortex ausgesendet werden, aufgezeichnet und dann zur Steuerung eines Gehirns verwendet werden können Rollstuhl oder steuern Sie einen Roboterarm (siehe Implanting Hope ).
Eine große Einschränkung für diese provokanten Experimente war, dass Patienten die Prothese nur mit Hilfe einer Crew von Laborassistenten verwenden können. Die Gehirnsignale werden über ein Kabel gesammelt, das in einen Anschluss an ihrem Schädel geschraubt wird, und dann über Drähte zu einem sperrigen Rack mit Signalprozessoren geleitet. Die Verwendung zu Hause ist unvorstellbar oder unpraktisch, wenn Sie an eine Reihe von Elektronikgeräten angeschlossen sind, sagt Arto Nurmikko, der Brown-Professor für Ingenieurwesen, der das Design und die Herstellung des drahtlosen Systems leitete.
Die neue Schnittstelle macht einen Großteil dieser Verkabelung überflüssig, indem Gehirndaten in einem Gerät verarbeitet werden, das etwa die Größe eines Autotankdeckels hat. Es wird am Schädel befestigt und mit Elektroden im Gehirn verbunden. Im Inneren des Geräts befindet sich ein Prozessor zur Verstärkung der schwachen elektrischen Spitzen, die von Neuronen ausgesandt werden, Schaltkreise zur Digitalisierung der Informationen und ein Funkgerät, um sie über eine Entfernung von einigen Metern zu einem Empfänger zu senden. Dort steht die Information als Steuersignal zur Verfügung; sagen, einen Cursor über einen Computerbildschirm zu bewegen.
Das Gerät überträgt Daten aus dem Gehirn mit einer Geschwindigkeit von 48 Megabit pro Sekunde, etwa so schnell wie eine private Internetverbindung, sagt Nurmikko. Es verbraucht etwa 30 Milliwatt Strom – ein Bruchteil dessen, was ein Smartphone verbraucht – und wird von einer Batterie gespeist.
Wissenschaftler haben bereits früher Prototypen von drahtlosen Gehirn-Computer-Schnittstellen entwickelt, und einige einfachere Sender wurden für Tierversuche verkauft. Aber es gibt einfach kein Gerät, das so viele Eingänge hat und Megabits und Megabits an Daten ausspuckt. Es ist im Grunde eine neue Art von Gerät, sagt Cindy Chestek, Assistenzprofessorin für Biomedizintechnik an der University of Michigan.
Obwohl das Implantat täglich Daten im Wert von etwa 200 DVDs übertragen kann, ist das nicht viel Information im Vergleich zu dem, was das Gehirn bei der Ausführung selbst der einfachsten Bewegung erzeugt. Von den Milliarden Neuronen im menschlichen Kortex haben Wissenschaftler nie mehr als etwa 200 gleichzeitig direkt gemessen. Sie und ich benutzen unsere Gehirne als Petabyte-Maschinen, sagt Nurmikko. Nach diesem Standard werden 100 Megabit pro Sekunde sehr bescheiden aussehen.
Blackrock hat damit begonnen, den drahtlosen Prozessor, den es Cereplex-W nennt und etwa 15.000 US-Dollar kostet, an Forschungslabors zu verkaufen, die Primaten untersuchen. Tests am Menschen könnten schnell erfolgen, sagt Florian Solzbacher, Professor an der University of Utah, Eigentümer und Präsident von Blackrock. Die Brown-Wissenschaftler haben Pläne, es an gelähmten Patienten zu versuchen, haben dies aber noch nicht getan.
Derzeit nehmen etwa ein halbes Dutzend gelähmte Menschen, darunter einige in den späten Stadien von ALS, an BrainGate-Studien mit der älteren Technologie teil. In diesen Studien, die in Boston und Kalifornien durchgeführt werden, ist das Implantat, das Kontakt mit dem Gehirn herstellt, eine kleine Anordnung nadelartiger Elektroden, die aus Silizium geschnitzt sind. Es wird auch von Blackrock verkauft und wird allgemein als Utah-Array bezeichnet. Um eine Schnittstelle zwischen Gehirn und Maschine herzustellen, wird dieses Array in das Gewebe der motorischen Großhirnrinde geschoben, wo seine Spitzen die Feuermuster von 100 oder mehr Neuronen gleichzeitig aufzeichnen.
Wissenschaftler haben herausgefunden, dass diese winzigen Elektrizitätsstöße in eine ziemlich genaue Anzeige dessen entschlüsselt werden können, welche Bewegung ein Tier oder eine Person beabsichtigt. Die Entschlüsselung dieser Signale hat es Hunderten von Affen sowie einer wachsenden Zahl gelähmter Freiwilliger ermöglicht, eine Computermaus zu steuern oder Objekte mit einem Roboterarm zu manipulieren, manchmal mit überraschender Geschicklichkeit (siehe Das Gedankenexperiment ).
Aber die BrainGate-Technologie wird sich erst dann in eine echte Medizin verwandeln, wenn sie stark vereinfacht und zuverlässiger gemacht wird. Das kopfmontierte Funkmodul ist ein Schritt in Richtung dieses Ziels. Wissenschaftler sagen, dass die gesamte Elektronik schließlich vollständig in den Körper implantiert werden muss, ohne dass Drähte durch die Haut reichen, da dies zu Infektionen führen kann. Letztes Jahr berichteten die Brown-Forscher, dass sie einen Prototyp einer vollständig implantierten Schnittstelle getestet haben, wobei die Elektronik in einer Titandose untergebracht ist, die unter der Kopfhaut versiegelt werden kann. Dieses Gerät ist noch nicht kommerzialisiert.
Wenn sie es unter die Haut stecken könnten, könnte alles, was Sie in den Videos sehen, zu Hause gemacht werden, sagt Chestek und bezieht sich darauf Filme von Patienten Verwendung von mentaler Kontrolle, um Roboterarme zu bewegen. Dieser Draht, der durch die Haut geht, ist der gefährlichste Teil des Systems.