„Habe nun ach! Philosophie, Juristerei und Medizin, und leider auch Theologie! durchaus studiert mit heißem Bemühn. Da steh ich nun, ich armer Tor! und bin so klug als wie zuvor; heiße Magister, heiße Doktor gar, und ziehe schon an die zehen Jahr herauf, herab und quer und krumm meine Schüler an der Nase herum – und sehe, dass wir nichts wissen können!

Das will mir schier das Herz verbrennen!“ 

- Faust I, S. 354–365

Brain-Computer-Interface

Ein Brain-Computer-Interface (kurz: BCI, auch Brain-Machine-Interface (BMI). Deutsch: Gehirn-Computer-Schnittstelle oder Hirn-Maschine-Schnittstelle) ist die direkteste Form der Informationsweitergabe einer Mensch auf Maschine.

1. Das Prinzip: Vorstellungen von Bewegungen messen.

Brain-Computer-Interfaces basieren auf der Erkenntnis, dass schon Vorstellungen von Bewegungen ausreichen, um Hirnaktivitäten messbar zu verändern. Beispielsweise führt die Vorstellung, die rechte Hand zu bewegen, zu einem Aktivierungsmuster im motorischen Kortex, und zwar zu einem anderen, als die Vorstellung, die linke Hand zu bewegen. In einem Trainingsprozess lernt das Brain-Computer-Interface (also Rechner und Mensch zusammen), welche Vorstellungen mit welchen Veränderungen der Hirnaktivitäten korreliert sind. Diese Information kann dann in ein passendes Steuersignal für diverse Anwendungen umgewandelt werden. 

Auf diesem Weg könnte letztendlich (nach einer Phase der Konditionierung) z.B. die Vorstellung eines Gehbehinderten, seinen rechten Fuß nach vorne zu setzen, ein Exoskelett dazu veranlassen, seinen rechten Fuß auch tatsächlich nach vorne zu setzen.

2. Vor- und Nachteile: Badekappe oder blutig

1. Die Nicht-Invasive Methode

Nebst der Möglichkeit Elektroden direkt in den Cortex zu implantieren, existieren auch unblutige Methoden, ein Brain-Computer-Interface zu installieren. Maßnahmen dieser Art, bei denen nicht in das Denkorgan eingedrungen werden muss, nennen sich „non-invasiv“. Bei den gängigsten nicht-invasiven Verfahren wird auf das Elektroencephalogramm (EEG) zurückgegriffen, das an der Kopfoberfläche die elektrischen Spannungen des Gehirns misst, sodass keines von beiden aufgeschnitten werden muss. Dafür wird eine Art Badekappe mit eingenähten Elektroden auf den Kopf gesetzt, die über ein Kabel Signale an einen Verstärker schickt und so die elektrischen Spannungsschwankungen an der Kopfoberfläche messbar macht.

Nachdem das verstärkte Signal digitalisiert wurde und eine Filtration durchlaufen hat, ist der Computer in der Lage mithilfe speziell angelegter Algorithmen bestimmte Muster in den Hirnsignalen zu erkennen. Mit ein bisschen Übung zwischen Mensch und Computer kann letzterer herauslesen, welche Intentionen sich in den Mustern wiederspiegeln. Diese Intentionen werden daraufhin als direkte Befehle, etwa zur Steuerung einer Beinprothese, verstanden, als solche umgewandelt und umgesetzt.

Das Prinzip ist also dasselbe wie bei der direkten Implantierung der Elektroden im Gehirn, nur dass bei der nicht-invasiven Methode die elektrischen Signale direkt an der Kopfoberfläche abgefangen werden. Wobei nicht alle BCIs auf das EEG und somit auf das Messen von elektrischen Hirnsignalen zurückgreifen. Es gibt z.B. auch Mittel und Wege, die hamodynamischen Aktivitäten des Hirns zu messen. Die EEG-Variante bringt jedoch einige Vorteile mit sich: Sie ist kostengünstig, erfordert keinen chirurgischen Eingriff und registriert die Hirnwellen mit einer hohen zeitlichen Auflösung.

2.1. Die Invasive Methode

Alle Varianten, egal ob EEG oder nicht, die ohne einen Eingriff auskommen wollen, haben aber auch so ihre Nachteile. Was die zwischenmenschliche Kommunikation betrifft, sind die Mehrwerte invasiver und nicht-invasiver Methoden noch in etwa vergleichbar. Sobald es aber um komplexere Aufgaben geht, wie die Steuerung von Neuroprothesen, reichen die vergleichsweise doch recht unpräzisen Signale, die nicht-invasive Methoden liefern, nicht mehr aus. Dann bedarf es invasiver Methoden.

Bei invasiven Verfahren muss die Schädeldecke geöffnet werden, weil die Elektroden direkt in den Kortex eingepflanzt werden und dort die Hirnaktivitäten abgreifen. Nicht-invasive Methoden messen an der Kopfoberfläche, invasive direkt mit einem Chip im Gehirn. Die restliche Prozedur, von der gemessenen Hirnaktivität bis etwa zur Steuerung einer Armprothese, ist bei beiden Methoden dieselbe.

Neben den Vorteilen einer invasiven Messung, sie liefert genauere und mehr Daten als eine nicht-invasive, bringt sie aber auch Nachteile mit sich. Hier seien vor allem die medizinischen genannt. Es liegt auf der Hand, dass eine Hirn-OP einen massiven Eingriff darstellt und erhebliche Risiken mit sich bringt. Hirnblutungen können auftreten und es kann zu Infektionen im Gehirn kommen. Darüber hinaus braucht man für die meisten Techniken noch ein Kabel, bei dem die Daten aus dem Chip im Gehirn nach außen geleitet werden. Das ist nicht nur umständlich, sondern auch gefährlich. Zumindest dieser Nachteil dürfte jedoch in den Griff zu bekommen sein: Spezialisten forschen schon an kabellosen Übertragungsmöglichkeiten über Funk.

3. Das Revolutionäre: Direkte Kommunikation zwischen Mensch und Maschine

Das Revolutionäre dabei ist, dass ein BCI eine Brücke zwischen Gehirn und Computer (wenn man so will: Bewusstsein und Computer?) schlägt, ohne einen Umweg über das periphere Nervensystem nehmen zu müssen. Herkömmliche Mensch-Maschine-Schnittstellen brauchen das periphere Nervensystem als Zwischenstation, Tastaturen und Knöpfe müssen über Extremitäten gedrückt, Spracherkennungssoftwares müssen eingesprochen werden und sogar Stephen Hawkings Sprachcomputer ist auf die Bewegung der Augen angewiesen. Brain-Computer-Interfaces jedoch brauchen keine außerkörperlichen Muskelbewegungen, sie rücken den Traum, Maschinen mit der Kraft der Gedanken zu steuern, in greifbare Nähe. Denn nichts anderes als Maschinen kraft seiner Gedanken zu steuern macht einer, der gezielt an etwas denkt, um damit Veränderungen in seiner Hirnaktivität zu bewirken, die von Sensoren registriert werden und dann ein Gerät in die gewünschte Bewegung versetzen.

Leider ist diese direktmöglichste Mensch-Maschine-Kommunikation bei allen bislang erprobten Brain-Computer-Interfaces nur in eine Richtung möglich. Der Mensch lernt zwar, dem Rechner mittels seiner Gedanken etwas mitzuteilen, das Feedback des Computers wird bis dato aber ausschließlich über die normalen Sinnestunnel vermittelt (bspw. Bilder, Töne oder elektrische Reizung der Haut).

4. Hoffnungen biblischen Ausmaßes:                                             Lahme können wieder gehen und Taube wieder hören.

Auf jeden Fall ermöglicht das BCI dem Menschen einen zugeschalteten Computer schneller zu steuern. Weil die Steuerungsbefehle bei ihr keinen Umweg über Muskelkräfte und Eingabegerät machen müssen, ist sie auch die einzige Steuerungsebene, die für Menschen infrage kommt, die ihren Körper nur eingeschränkt oder gar nicht kontrollieren können.

Denn mit einer Computer-Hirn-Schranke lassen sich natürlich auch - und gerade lahme Gliedmaßen gedanklich steuern. Deswegen werden BCIs auch immer häufiger in der Rehabilitation von Schlaganfallpatienten oder zur Kommunikation mit und Mobilmachung von gelähmten Personen eingesetzt. Ein Schlüsselexperiment diesbezüglich gelang schon 2002 dem Portugiesen Miguel Nicolelis, der Rhesusaffen beibrachte über eine Computer-Hirn-Schnittstelle einen Roboterarm zu bewegen. Zehn Jahre danach gelang einem Forscherteam um John Donoghue das Gleiche zwischen einem Menschen und einem Roboterarm.

Die Forschung auf diesem Gebiet schreitet rasend voran und schon 2014 hat ein Querschnittsgelähmter den symbolischen Anstoß bei der Eröffnungsfeier der WM in Brasilien ausgeführt.  In seinem Kopf war eine Gehirn-Computer-Schnittstelle eingebaut und um seinen Körper ein Exoskelett. CBIs lassen Lahme wieder gehen. Menschen bspw., die am Locked-in-Syndrom leiden, sind im wahrsten Sinne des Wortes in ihrem eigenen Körper eingeschlossen. Auf Grund eines Schlaganfalls oder einer neurologischen Erkrankung wie Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) sind sie soweit gelähmt, dass sie nur noch ihre Mundwinkeln oder Augenlider bewegen können. Und vollständig Eingeschlossene können nicht einmal das. Aber mit einer CH-Schnittstelle vermögen sie es ganz ohne Muskelkraft und nur mit ihren Vorstellungen mit der Umwelt kommunizieren, einen Rollstuhl zu lenken oder mit einem Roboterarm Schach zu spielen.

Aber nicht nur diejenigen Menschen, die gegenwärtig als benachteiligt gelten, profitieren von der BCI-Technologie. Die Möglichkeiten der BCIs sind gigantisch und sie können ebenso gesunden Menschen Fähigkeiten in Aussicht stellen, die heute noch keiner hat:

  • BCI-System können dazu aufgewendet werden, Konsolen- und Spielautomaten durch konzentrierte Gedanken zu bespielen. An der Technischen Universität Berlin lässt sich bereits Flipper spielen, ohne einen Finger zu rühren.
  • Interime Computer-Eingabegeräte werden überflüssig werden, denn das Gehirn kann den Rechner nun direkt diktieren. Lästige Büroarbeit wird erheblich einfacher, man kann ja einen Text verfassen, indem man einfach an ihn denkt.
  • Ganze Computersysteme können auf unsere Gedanken feinjustiert werden. Assistenzsysteme im Auto führen uns, ohne dass wir dazu etwas sagen oder eintippen müssten, zum Zielort. Das bringt freie Zeit, in der Sie an den Gegenstand denken können, den sie neulich gesehen haben und Google für Sie herausfindet, wie er heißt und wozu er gut ist.

In kaum einem Forschungsbereich liegen Realität und Science-Fiction so dicht beieinander, wie in der Neurotechnik. Nun denken Wissenschaftler schon daran, dem Menschen via BCI-Technologie neue Sinnesorgane und Extremitäten anzueignen.

Anstatt „nur“ verlorengegangene Sinneskanäle bei Behinderten zurückzuholen, sollen ganz neue eröffnet werden. Der brasilianische Neurowissenschaftler Miguel Nicolelis zum Beispiel trainierte Ratten darauf, Infrarotstrahlung wahrzunehmen – und zwar über Sensoren, die direkt in ihrem sematosensorischen Cortex gekoppelt wurden. Mithilfe von BCI-Technik also. Infrarot kann üblicherweise nur von einer Hand voll Tieren wahrgenommen werden, und Maus und Mensch gehören nicht zu ihnen. Miguel Nicolelis hat es aber geschafft Mäuse infrarot sehen lassen und es spricht prinzipiell nichts dagegen, dass man nicht auch Menschen an infrarotempfindliche Sensoren anschließen und neue Farben sehen lassen können sollte. Wer weiß, eines Tages können wir uns vielleicht wie Zugvögel am Magnetpol orientieren oder andere, neue Quale erleben, die heute noch kein Tier und kein Mensch kennt und sich gegenwärtig niemand auch nur vorstellen kann?

Nicolelis gelang noch ein weiteres Kunststück dieser Art. Er brachte Affen dazu, nur kraft ihrer Hirnströme zusätzliche Technoarme zu kontrollieren. Der mit dem Neuronal Plasticity Prize ausgezeichnete Brasilianer kann sich vorstellen, dass wir mal mit Hirnströmen und kabelloser Datenübertragung gar Roboter fernsteuern werden, die ihrerseits mit künstlichen Sinnesorganen und austausch- und erweiterbaren Gliedmaßen ausgestattet sind. Und da sind wir wieder bei der Behindertenhilfe. Das Fernsteuern von Robotereinheiten ist nämlich nicht nur eine nette Spielerei, sondern könnte schwerstgelähmten Menschen ermöglichen, mit voller Bewegungskontrolle und vollem Erlebnisspektrum ihr Zimmer zu verlasen. Doch würde die Person das Zimmer dann wirklich verlassen?

Und wenn wir derart direkt und ohne den Mund, oder sonst irgendetwas, äußerlich zu bewegen mit Maschinen kommunizieren können, sollte es dann nicht auch möglich sein, ganz ähnlich untereinander zu kommunizieren?

5. Moralische Bedenken

Doch spätestens hier sollten gewisse moralische Bedenken einsetzen: Wer kann sich solche Wunderdinger überhaupt leisten? Spreizt es die Schere zwischen Arm und Reich nicht zusätzlich ungemein, wenn die Reichen laufen, mit vier Armen greifen, andere Geschmäcker erleben und immer schneller denken und kommunizieren können - und die arme Bevölkerungsschicht nicht einmal hinterherzuhinken vermag? Machen BCIs das Leben wirklich besser, oder läutet es nur eine neue Runde im Rennen um immer mehr Leistung ein? Indem sich jener durchsetzt, der sich das neueste Gerät leisten kann.

In der Tiefenhirnstimulation, die bei Parkinson-Patienten bereits erfolgreich eingesetzt wird, dreht man den Spieß um. Anstatt Signale aus dem Gehirn aufzufangen, sendet man Signale hinein. Diese Technik weckt einerseits Hoffnungen und vielleicht wird man mit ihr einmal Depressionen und Zwangsneurosen heilen können. Andererseits könnten BCIs, bei denen vom Computer auf das Gehirn eingewirkt wird, Persönlichkeiten verändern und die Selbstbestimmung des Patienten gefährden. Keiner weiß, was auf Dauer passiert, wenn man derart stark auf das charakterformende Gehirn einwirkt. Und die Gefahr von veränderten und nicht mehr autonomen Patienten weckt wiederum die unangenehme Vorstellung von manipulierten oder gar ferngesteuerten Menschen. Sklaven der Chipprogrammierer.

Nicht wenige warnen gar vor Cyborgs, Mensch-Maschine-Hybriden mit unklarem Wesen und moralischen Status. Solchen Cyborgs könnte man dann Schusswaffen an den Gliedenden anschließen und für uns in den Krieg ziehen lassen. Die Grenze zwischen Wirklichkeit und Computerspiel wäre fließender denn je. DARPA ist die Forschungsabteilung des US-amerikanischen Verteidigungsministeriums und hat mit HAPTIX ein Projekt zur Vergütung von Armprothesen finanziert. Zahlreiche ähnliche Forschungsprojekte sind am Laufen. Währenddessen steht der Verdacht im Raum, es ginge hier nicht nur um die Rehabilitation verletzter, sondern auch um die Verbesserung der Leistungsfähigkeit gesunder Soldaten. Ausgerüstet mit einem dritten Arm und erhöhter Wahrnehmungskapazität plus Reaktionszeit würde man Wesen in den Krieg schicken, deren Beurteilung kriegsvölkerrechtlich schwierig werden wird. Dann könnten Menschen an riesigen Computern sich in fremde Cyborgs einhacken, Kriege würden an Rechnern entschieden werden.

Manch religiöse Menschen könnten beanstanden, (Neuro-)Enhancement sei eine Verbesserung der menschlichen (Denk-)Fähigkeiten über das von Gott vorgegebene Maß. Aber dieses Argument ist relativ schwach, auch von einem Religiösen, wenn er dann nicht auch auf Kopfwehtabletten und Kaffee verzichtet.

Künstliche Gliedmaßen, Neue Farbempfindungen, Menschenmanipulation, Cyborgs… so weit ist die Forschung zu Brain-Computer-Interfaces dann doch noch nicht. Die Neurotechnologie mag z.B. für all jene Menschen, die in ihrer Bewegungsfreiheit stark oder ganz eingeschränkt sind, eine unglaubliche Bereicherung sein. Als Alternative zu richtigen Gliedmaßen taugen die künstlichen jedoch nicht. Dafür sind sie noch zu unpräzise und unflexibel. Jedoch mit der Betonung auf „NOCH“. Irgendwann einmal werden diese Dinge möglich sein und wir sollten davor über sie nachdenken, diskutieren und international verbindliche Gesetze aufstellen. Denn wie sagt ein altes Sprichwort: Vorsicht ist besser als Nachsicht.

Stand: 2015

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