Wird die Gedankensteuerung von Objekten zur Realität? Neue Durchbrüche in der Hirn-Computer-Schnittstelle!

Am 18. Dezember hat die nationale Arzneimittelbehörde in Peking eine Arbeitsfortschrittskonferenz für Hirn-Komputer-Schnittstellen-Medizinprodukte abgehalten. Auf der Konferenz wurden die Meinungen und Vorschläge von Fachleuten und Wissenschaftlern aus Hochschulen, Forschungseinrichtungen und medizinischen Einrichtungen sowie von Vertretern von Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen gehört.

Die Durchführung dieser Fortschrittskonferenz bedeutet, dass die Hirn-Komputer-Schnittstelle bereits auf rechtlicher Ebene als Medizinprodukt anerkannt ist und klinische Bedingungen erfüllt. Am gleichen Tag hat China einen neuen Durchbruch bei der Anwendung der Hirn-Komputer-Schnittstelle bekanntgegeben. Der zweite klinische Patient mit invasiver Hirn-Komputer-Schnittstelle kann nach der Anwendung dieser Technologie im Falle einer Querschnittslähmung einen Rollstuhl mit der Vorstellung steuern und einen Roboterhund befehlen, was den Patienten neues Leben und Hoffnung auf ein zukünftiges Leben gibt.

Wenn der Erfolg der ersten klinischen Anwendung der Hirn-Komputer-Schnittstelle zufällig war, bedeutet der erfolgreiche Einsatz von Medizinprodukten für Hirn-Komputer-Schnittstellen beim zweiten Patienten, dass der derzeit verwendete Technologiepfad bestätigt ist und die Möglichkeit einer breiten Verbreitung besteht.

China hat nach fast 10 Jahren wissenschaftlich-technologischen Fortschritts endlich heute Früchte geerntet. Obwohl der Start deutlich später war als in Europa und Amerika, hat sich die Lücke zwischen der heimischen Hirn-Komputer-Schnittstellen-Technologie und dem internationalen Spitzenstand in den letzten Jahren rasch verkleinert.

01 Die Hirn-Komputer-Schnittstelle ist eigentlich ein Kommunikationssystem

Die Hirn-Komputer-Schnittstelle (Brain-Computer Interface, BCI) ist ein direkter Verbindungsweg zwischen Gehirn und externen Geräten und eine bidirektionale Kommunikationsbrücke zwischen biologischen Nervensystemen und künstlichen Rechengeräten. Bisher ist der bekannteste Benutzer dieses Kommunikationssystems der verstorbene theoretische Physiker Stephen William Hawking.

Der Grund liegt darin, dass das Gehirn bei der Denktätigkeit Hirnwelle erzeugt. Die Hirn-Komputer-Schnittstelle liest direkt die Absicht des Gehirns durch die Erkennung der Merkmale der Hirnwelle und wandelt sie in Computerbefehle um, um die Interaktion und Verbindung zwischen Mensch und Maschine oder der externen Umgebung zu ermöglichen und Wunder wie das Gehen von Gelähmten, das „Sprechen“ von Sprachlosen und das „Wiederersehen“ von Blinden zu schaffen.

Der Kern der Anwendung von Medizinprodukten für Hirn-Komputer-Schnittstellen liegt in der direkten Informationsinteraktion zwischen Gehirn und externen Geräten durch die Erfassung von bioelektrischen Signalen, die neuronale Codierungs- und Decodierungsalgorithmen und den geschlossenen Rückkopplungsmechanismus.

Das Hirn-Komputer-Schnittstellen-System integriert verschiedene Technologien wie Neurowissenschaft, Signalverarbeitung, Informatik, Künstliche Intelligenz und Elektronikingenieurwesen und besteht hauptsächlich aus Benutzer (Gehirn), Gehirnsignalerfassung, Gehirnsignalverarbeitung und -decodierung, Steuerungsschnittstelle, externen Geräten wie Robotern und neuronaler Rückkopplung. Die Kernbestandteile sind die Gehirnsignalerfassung, die Gehirnsignalverarbeitung und -decodierung sowie die Steuerungsschnittstelle.

Nach der Struktur und den funktionalen Eigenschaften des Hirn-Komputer-Schnittstellen-Systems kann es in ausgehende Systeme unterteilt werden, die hauptsächlich Signale aus dem Gehirn gewinnen und diese Signale in Steuerbefehle für die Außenwelt umwandeln. Beispielsweise können behinderte Personen externe Geräte wie Rollstühle oder Prothesen, Computerzeiger oder Eingabegeräte über Gehirnsignale steuern.

Eingangsorientierte Systeme hingegen empfangen externe Reize und wandeln sie in innere Wahrnehmungen oder Kognitionen des Gehirns um, um die sensorischen Erfahrungen des Benutzers zu verbessern oder wiederherzustellen und werden normalerweise zur Wiederherstellung von geschädigten Sinnesfähigkeiten verwendet. Bidirektionale interaktive Systeme kombinieren die Funktionen von ausgehenden und eingangsorientierten Systemen, um das Benutzererlebnis und die Steuerpräzision weiter zu verbessern. Nach der Art der Signalerfassung und der Technologie kann es in invasive, semi-invasive und nicht-invasive Systeme unterteilt werden.

Unabhängig von der Klassifizierung zielt das Hirn-Komputer-Schnittstellen-System darauf ab, die Hirnperzeptionstechnologie und die Hirnregulationstechnologie in einen geschlossenen Kreis zu bringen, um gemeinsam auf den Benutzer einzuwirken.

Vor 2013 entwickelten sich die Hirnperzeptions- und Hirnregulationstechnologien unabhängig voneinander und hatten keine bidirektionale Interaktionsfähigkeit und keinen geschlossenen Kreis. Von 2014 bis 2023 hat sich die Interaktivität der Hirnperzeption verbessert, und die Hirnregulation hat sich in Richtung eines geschlossenen Kreises entwickelt. Seit 2024 entwickeln sich die Technologien der Wahrnehmung, Stimulation und Steuerung integriert. Sie können nicht nur die Aktivitätssignale des Gehirns präzise erfassen, sondern auch den Gehirnzustand auf der Grundlage dieser Signale regulieren und gleichzeitig die effektive Steuerung von peripheren Geräten ermöglichen, um den Benutzern ein natürlichereres und intelligenteres Interaktionserlebnis zu bieten. Die Entwicklung von Medizinprodukten für Hirn-Komputer-Schnittstellen ist nun endgültig in die Schnellspur geraten.

02 Die unvermeidliche Konkurrenz zwischen China und den USA und das Großmächtekampf

Seit 2018 kann China in den Branchen, die es besonders fördern möchte, nicht um die USA herumkommen. In den Wachstumssektoren Chinas werden immer wieder US-amerikanische Unternehmen versuchen, Chinas Fortschritt zu blockieren. Die Hirn-Komputer-Schnittstellen-Branche ist da keine Ausnahme.

Wenn man die obere, mittlere und untere Stufe der Hirn-Komputer-Schnittstellen-Industrie betrachtet, dominieren europäische und amerikanische Unternehmen bei den Hauptchips. Chinesische Unternehmen wie BrainCo stehen immer noch vor vielfältigen Herausforderungen und müssen auch mit Tricks wie der plötzlichen Produktionseinschränkung durch Subunternehmen rechnen. Die Wettbewerbssituation in der mittleren Stufe ähnelt der in der oberen Stufe. In der unteren Anwendungsstufe gibt es zwar bekannte Unternehmen wie Innovation Medical, Sanbo Brain Hospital, Tom Cat und Iflytek, aber die Anwendungsresultate hängen stark von der Forschungs- und Entwicklungsgeschwindigkeit der oberen und mittleren Stufen ab.

Wenn man die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten in China und den USA näher betrachtet, besteht derzeit der Unterschied zwischen den beiden Ländern darin, dass die USA in der invasiven Technologie insgesamt führend sind, während China in neuen Materialbereichen wie flexiblen Elektroden lokale Vorteile hat und auf dem semi-invasiven Gebiet einen eigenen, chinesischen Technologiepfad eingeschlagen hat. Die eigentliche Konkurrenz spielt sich bei den Kernkomponenten und technologischen Engpässen ab, wie z. B. bei neuen Materialien und flexiblen Elektroden, bei neuronalen Chips und EEG-Aufnahmesystemen.

Im Bereich der flexiblen Elektroden haben die chinesischen Forschungsteams beeindruckende Innovationskraft gezeigt. Das Team des Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat beispielsweise die weltweit kleinsten und flexibelsten Neuronen-Elektroden entwickelt, deren Querschnitt nur ein Fünftel bis ein Siebentel derjenigen der Produkte von Neuralink beträgt, was die Schädigung des Gehirngewebes auf ein Minimum reduziert.

Im Bereich des neuen Paradigmas der dynamischen Elektroden hat das Shenzhen Institut für Fortgeschrittene Technologien der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Zusammenarbeit mit der Donghua Universität erfolgreich eine „neuronale Würmer“-Elektrode entwickelt, die sich im Gehirn selbstständig in die gewünschte Richtung bewegen kann. Dies bricht mit der traditionellen „statischen“ Methode der implantierten Elektroden. Diese Elektrode ist fein wie ein Haar, flexibel und dehnbar und kann sich frei bewegen.

Die Forscher haben erstmals das neue Paradigma der „dynamischen Elektroden“ in der Hirn-Komputer-Schnittstellen-Branche vorgeschlagen, was die Beschränkung der traditionellen implantierten Elektroden, die lange Zeit „statisch“ waren, überwindet und neue Wege für die Forschung und Anwendung von Elektroden für Hirn-Komputer-Schnittstellen eröffnet.

Nach fünf Jahren anstrengender Technologieentwicklung hat das Forschungsteam mit Hilfe von mehreren präzisen Verarbeitungsschritten wie der Herstellung von ultradünnen flexiblen Filmen und der Gestaltung von leitfähigen Mustern eine nur 196 Mikrometer dicke, flexible und dehnbare neuronale Faser-Elektrode entwickelt und erfolgreich 60 unabhängige Signalkanäle integriert. Um die „dynamische“ Steuerung der Elektrode zu ermöglichen, hat das Team ein hochpräzises magnetisches Steuerungssystem und eine Echtzeit-Bildverfolgungstechnologie kombiniert, so dass die Elektrode sich im Gehirngewebe eines Kaninchens selbstständig in die gewünschte Richtung bewegen und stabile, hochwertige bioelektrische Signale erfassen kann.

Beim Problem der schwierigen Implantation von flexiblen Elektroden hat das Institut für Halbleiter der Chinesischen Akademie der Wissenschaften eine „neuronale Tentakel“-Sonde entwickelt, die sowohl steif als auch flexibel sein kann und so eine schadensarme Implantation und eine langfristige Aufzeichnung von hochwertigen neuronalen Signalen ermöglicht.

Diese Sonde kann über ein integriertes mikrohydraulisches System den Druck regulieren. Beim Implantationsvorgang bleibt sie steif, um präzise in das Gehirngewebe einzudringen. Nach der Implantation wird sie wieder flexibel, um sich besser an die mikroumgebung des Gehirngewebes anzupassen. Diese Methode erfordert keine harten Einführungswerkzeuge und kann gleichzeitig die beiden Ziele einer schadensarmen Implantation und einer langfristigen Aufzeichnung von hochwertigen neuronalen Signalen erreichen.

Die Experimentergebnisse zeigen, dass diese Technologie im Vergleich zur traditionellen Implantationsmethode die akute Schädigung um über 74 % und die chronische Immunreaktion um etwa 40 % reduzieren kann. In Langzeit-Experimenten an Mäusen hat die Sonde eine ausgezeichnete Qualität der Neuronen-Signale und ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis gezeigt. Sowohl die Funktionalität der Signalkanäle als auch die Anzahl der Einheiten waren deutlich besser als in der Kontrollgruppe.

Die USA haben immer noch Vorteile bei der langfristigen biologischen Verträglichkeit der Materialien und der Systemintegration. Beispielsweise hat Neuralink eine relativ reiche Erfahrung bei der Integration von Elektroden und der Massenimplantation. China hat jedoch in der innovativen Strukturgestaltung und der dynamischen Leistung von flexiblen Elektroden eine einzigartige Wettbewerbsfähigkeit gezeigt.

Beim Thema neuronaler Chips und EEG-Aufnahmesystemen sind die USA vorerst bei den Systemprodukten und der Chipintegration führend, während China in bestimmten Szenarien und Algorithmen hervorragend abschneidet. Bei den technologischen Engpässen haben China und die USA unterschiedliche Schwerpunkte. China konzentriert sich derzeit auf die Autonomie und Zuverlässigkeit von High-End-Chips, während die USA versuchen, ein Gleichgewicht zwischen radikaler Technologieentwicklung und sicherer Umsetzung zu finden.

Nehmen wir das Beispiel von Neuralink in den USA. Seine vollständig invasive Technologie erfordert das Entfernen eines Teils des Schädelknochens und das Implantieren einer großen Anzahl von Elektroden. Obwohl das Ziel ist, die höchste Leistung zu erzielen, bringt dies auch ein höheres Operationsrisiko mit sich. Die US-amerikanische FDA prüft die Zulassung von invasiven Medizinprodukten für Hirn-Komputer-Schnittstellen extrem streng und hat sogar die Anträge von Neuralink auf menschliche Tests abgelehnt. Daher ist die Anwendungsgeschwindigkeit dieser vollständig invasiven Medizinprodukte in den USA deutlich langsamer als die von semi-invasiven und nicht-invasiven Produkten.

Im Bereich der semi-invasiven Technologie sind Precision Neuroscience und Synchron in den USA die Vertreter dieser Richtung. Das erste Unternehmen hat die Genehmigung für eine kurzfristige kommerzielle Implantation erhalten, während das zweite Unternehmen über eine vaskuläre Eingriffsmethode die Zulassung für klinische Tests bekommen hat.

In China hat das Center for Excellence in Brain Science and Intelligence Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften im Juni dieses Jahres in Zusammenarbeit mit dem Huashan Hospital der Fudan Universität und anderen Unternehmen erfolgreich die ersten invasiven klinischen Tests in China durchgeführt. Dies bedeutet, dass China das zweite Land weltweit geworden ist, das in