Umfassende Übersicht über Brain-Computer-Interfaces: Vom Science-Fiction zum Realen - Wer führt diese "Gedankenleserei"-Revolution an?

Am 1. Januar kündigte Elon Musk plötzlich auf X an: Die Hirn-Computer-Schnittstellen (BCI) von Neuralink sollen in diesem Jahr in großem Maßstab produziert werden. Bis jetzt hat Neuralink die BCI schon bei 13 Patienten implantiert. Sie können damit mit „Willenskraft“ tippen, im Internet surfen und Spiele spielen.

Bildquelle: X

Die Hirn-Computer-Schnittstelle – ein Technologie, die sich wie aus der Matrix gehört, rückt von der Laborbank in die Realität. Obwohl Neuralink das bekannteste Unternehmen in diesem Bereich ist, wird es hier zunehmend brisant: Einige etablierte Firmen und junge Aufstrebende jagen nach, Projekte auf nicht-invasiven/ minimal-invasiven Wegen entstehen stumm, und viele Prominente, darunter Sam Altman, der CEO von OpenAI, haben sich bereits beteiligt.

Sicher ist, dass der globale Markt für Hirn-Computer-Schnittstellen einen explosive Wachstum erlebt. Laut einer Studie könnte der Markt in den USA allein auf 400 Milliarden US-Dollar ansteigen. Und das ist vielleicht erst der Anfang.

In diesem Artikel werden wir darüber sprechen, wie weit die Technologie der Hirn-Computer-Schnittstelle, die die Zukunft der Menschheit verändern könnte, schon fortgeschritten ist? Wer liegt im Vorteil? Wer könnte eine Überholung schaffen? Und wann wird diese Technologie für die normale Bevölkerung zugänglich sein?

01 Das Prinzip der Hirn-Computer-Schnittstelle: Von der „Gedankenleserei“ zur „Kontrolle aller Dinge“

Die Hirn-Computer-Schnittstelle, englisch Brain–Computer Interface, kurz BCI, ist einfach gesagt eine direkte Kommunikationsverbindung zwischen dem menschlichen Gehirn und externen Geräten. Sie umgeht unser traditionelles Nerven-Muskel-Sinnes-System und ermöglicht es dem Gehirn, direkt mit Maschinen zu „sprechen“.

Nehmen wir ein Beispiel: Normalerweise bedienen wir uns Computer mit Fingern auf der Tastatur und der Maus. Aber mit der BCI-Technologie können Sie diesen Zwischenschritt überspringen und den Computer direkt mit „Gedanken“ steuern. Das ist keine Gedankenleserei, sondern es ist die Aufzeichnung von Gehirnsignalen und die Übersetzung dieser Signale in Maschinenbefehle durch Algorithmen.

Chapter 1.1 Das Kernprinzip: Vier Schritte zur Verbindung von Gehirn und Maschine

Stellen Sie sich vor, dass Ihre 86 Milliarden Neuronen in Ihrem Gehirn ständig miteinander „sprechen“, also über elektrische Signale kommunizieren. Wenn Sie diesen Text lesen und verstehen, ist es im Grunde die Entladung Ihrer Neuronen. Das Prinzip der BCI ist eigentlich sehr einfach:

Erster Schritt: Signalaufzeichnung. Die Aktivität der Neuronen wird durch Elektroden oder Ultraschall aufgezeichnet, so wie ein hochpräziser Zuhörer in der „Chatgruppe“ der Milliarden Neuronen im Gehirn installiert wird.

Zweiter Schritt: Signaldecodierung. Die Signale werden durch künstliche Intelligenz (KI) Algorithmen decodiert, um zu verstehen, was das Gehirn vorhat. Wenn Sie beispielsweise Ihren Finger bewegen möchten, entladen bestimmte Neuronen in der motorischen Großhirnrinde in einem bestimmten Muster. Wenn die KI dieses Muster erkennt, weiß sie, was Sie tun möchten.

Dritter Schritt: Befehlsausgabe. Die decodierten Befehle werden an externe Geräte gesendet – Computerzeiger, Roboterarme, Rollstühle oder sogar zukünftige humanoide Roboter.

Vierter Schritt: Rückkopplungsschleife. Die fortschrittlichsten BCI-Systeme arbeiten auch rückwärts: Nachdem das Gerät eine Aktion ausgeführt hat, sendet es ein Rückmeldungssignal an das Gehirn, um ein interaktives System zu bilden. Wenn Sie beispielsweise einen Roboterarm mit einer BCI bedienen, um eine Tasse aufzuheben, kann das Gehirn die Berührung und das Gewicht „fühlen“, so dass eine vollständige Rückkopplungsschleife entsteht.

Chapter 1.2 Drei Technologien: Das Spannungsverhältnis zwischen Sicherheit und Leistung

Wir wissen bereits, was die BCI können kann, aber die Frage, wie man es macht, ist schwierig. Denn es geht darum, ein Chip in das wichtigste und empfindlichste Organ des Menschen, das Gehirn, zu implantieren. Die Sicherheit darf dabei nicht außer Acht gelassen werden. Deshalb gibt es auch drei Technologien, die unterschiedliche Kompromisse zwischen Sicherheit und Leistung eingehen.

Die erste Art ist die nicht-invasive Technologie: Der Vorteil ist die maximale Sicherheit, aber der Nachteil ist das schwache Signal. Solche Geräte funktionieren wie eine „Gedankenlesekappe“ und können einfach aufgesetzt werden. Das Prinzip besteht darin, die schwachen elektrischen Signale, die durch die Gehirnaktivität erzeugt werden, über Elektroden auf der Kopfhaut zu erfassen.

Der Vorteil liegt darin, dass es vollständig nicht-invasiv ist und keine Operation erfordert, einfach zu bedienen ist und relativ günstig ist. Die Verbrauchsgüterklasse kostet nur ein paar hundert bis ein paar tausend US-Dollar. Die Nachteile sind jedoch offensichtlich: Das Signal ist sehr schwach, so wie wenn man Musik hinter einer dicken Wand hört. Die Genauigkeit ist niedrig, es können nur einfache Steuerungen durchgeführt werden, und es ist leicht anfällig für Störungen durch Haare, Schweiß und äußere elektromagnetische Felder.

Viele BCI-Produkte auf dem Markt verwenden derzeit die nicht-invasive Technologie, die einfach zu bedienen und geeignet für Verbrauchsgüteranwendungen ist. Die Effektivität dieser Technologie wird jedoch von einigen Fachleuten in Frage gestellt.

Liu Jia

Assistentprofessor an der Harvard School of Engineering and Applied Sciences:

Wir müssen die physikalischen Tatsachen respektieren. Die Frequenzbandbreite jedes Neurons im Gehirn liegt ungefähr zwischen 300 und 3000 Hertz. Besonders wichtig ist der Bereich um 3000 Hertz, das ist das Aktionspotential der Neuronen.

Der Schädel und die Membran auf der Gehirnoberfläche sind ein ausgezeichneter Tiefpassfilter. Alle Signale über 40 Hertz werden vollständig herausgefiltert. Wenn es sich um eine nicht-invasive Technologie handelt, kann man von physikalischer Natur her keine Signale einzelner Neuronen erhalten, sondern nur ein durchschnittliches Ergebnis.

Ye Tianyang

Mitbegründer und CTO von Axoft:

Unser Schädel ist ein perfekter Isolator. Die meisten elektrischen Signale, die im Gehirn generiert werden, werden von ihm blockiert. Stellen Sie sich vor, dass alle Gedanken im Gehirn ein wunderbares Orchesterstück sind, und unser Schädel ist das Konzertgebäude. Wenn Sie Elektroden außerhalb des Schädels platzieren und die elektrischen Signale des Gehirns auf nicht-invasive Weise messen, ist das wie wenn Sie ein Orchesterstück außerhalb eines Konzertgebäudes hören. Egal wie wunderbar das Orchesterstück ist und wie hochwertige Aufnahmegeräte Sie außerhalb des Konzertgebäudes verwenden, aufgrund der Wand des Konzertgebäudes erhalten Sie am Ende immer nur sehr schwache und gemischte Signale. Das ist das Problem der derzeitigen nicht-invasiven BCI-Technologie: Es ist schwierig, hochpräzise und hochbandbreite Signale zu erhalten.

Die zweite Technologie ist die semi-invasive Technologie. Die semi-invasive Technologie ist ein Mittelweg. Es ist erforderlich, das Gehirn zu eröffnen, aber die Elektroden werden nur auf der Gehirnoberfläche oder außerhalb der Dura mater platziert, ohne das Gehirngewebe zu durchdringen, oder über die Blutgefäße implantiert. Der Vorteil ist, dass die Signalqualität besser als bei der nicht-invasiven Technologie ist, aber das Risiko etwas geringer als bei der voll-invasiven Technologie. Der Nachteil ist, dass die Anzahl der Kanäle relativ gering ist und die Leistung nicht so gut wie bei der voll-invasiven Technologie.

Diese Technologie ist jedoch etwas unglücklich. Ein Gast sagte uns, dass das größte Risiko die Gehirnoberfläche zu eröffnen ist, aber wenn man die Elektroden nicht tief genug platzieren kann, ist es wie wenn man ein Konzert besucht, aber auf dem letzten Platz sitzt.

Ye Tianyang

Mitbegründer und CTO von Axoft:

Die invasive BCI-Technologie wird in zwei Kategorien unterteilt: die Oberflächen-BCI und die Tiefe-BCI. Wenn man den Schädel entfernt und das Gehirn freilegt, kann man entweder die Elektroden auf der Gehirnoberfläche platzieren, um die elektrischen Signale zu messen, oder die Elektroden in das Gehirn einführen. Wenn man die Elektroden auf der Gehirnoberfläche platzieren, ist der Vorteil, dass die Gehirnstruktur intakt bleibt, aber der Nachteil ist, dass die elektrischen Signale des Gehirns tatsächlich in der Tiefe liegen.

Deshalb gibt es immer noch das Problem, dass man wie in einem Konzertgebäude sitzt, aber auf dem letzten Platz. Ist es besser, auf dem letzten Platz mit einem guten Mikrofon zu sitzen oder auf dem ersten Platz mit einem schlechteren Mikrofon? Das ist derzeit ein Thema der Diskussion. Die Tiefe-Elektroden hingegen werden direkt in die Nähe der Neuronen eingeführt, um die ersten, präzisesten und hochsten Signale zu erhalten und die Gedanken des Gehirns so vollständig wie möglich wiederherzustellen. Das sind die beiden Richtungen in der invasiven BCI-Technologie.

Deshalb ist die Frage, wie tief man nach der Gehirnoberfläche eröffnen muss, um Daten zu sammeln, ein wichtiger Punkt, den die Branche derzeit aktiv diskutiert und Lösungen sucht.

Die dritte Technologie ist die invasive BCI-Technologie. Wie der Name schon sagt, werden die Geräte dieser Technologie direkt in die Großhirnrinde eingeführt und haben einen „nullen Abstand“ zu den Neuronen. Sie verwenden winzige Elektrodennadeln, die direkt in das Gehirngewebe eingeführt werden, um die Aktivität einzelner Neuronen aufzuzeichnen.

Der Vorteil ist, dass die Signalstärke hoch ist, so wie wenn man hochauflösende Stereo-Musik hört. Die Genauigkeit ist sehr hoch, so dass komplexe Steuerungen möglich sind. Die Bandbreite ist groß, so dass mehr Informationen übertragen werden können. Der Nachteil ist, dass eine Gehirnoperation erforderlich ist, das Risiko hoch ist. Die langfristige Implantation der Elektrodennadeln kann zu Abstoßungsreaktionen oder sogar Infektionen führen, und die Elektroden können auch mit der Zeit abbauen.

Außerdem gibt es das Problem des Implantationsmaterials.

Liu Jia

Assistentprofessor an der Harvard School of Engineering and Applied Sciences:

Das Gehirn, insbesondere ein lebendes Gehirn, ist ein sehr weiches Gewebe, wie ein Tofu. Aber alle metallischen oder siliziumbasierten Sonden sind sehr hart, wie ein Messer. Wenn man also etwas so Hartes in das Gehirn