Umfassende Übersicht über Hirn-Computer-Schnittstellen: Vom Science-Fiction zum Realen - Wer führt die Revolution der "Gedankenleserei" an?

Am 1. Januar kündigte Elon Musk plötzlich auf X an: Das Brain-Computer-Interface (BCI) von Neuralink soll in diesem Jahr in großem Maßstab produziert werden. Bis jetzt hat Neuralink das BCI bereits 13 Patienten implantiert. Sie können mit „Willenskraft“ tippen, im Internet surfen und Spiele spielen.

Bildquelle: X

Das Brain-Computer-Interface – eine Technologie, die wie aus der Matrix klingt, wird nun aus dem Labor in die Realität gebracht. Obwohl Neuralink das bekannteste Unternehmen auf diesem Gebiet ist, wird es immer lebhafter: Einige etablierte Unternehmen und junge Aufstrebende setzen auf den Lufthaken, Projekte auf nicht-invasiver/ minimal-invasiver Grundlage entstehen stumm, und viele Prominente, darunter auch Sam Altman, der CEO von OpenAI, haben sich bereits beteiligt.

Es ist sicher, dass der globale Markt für Brain-Computer-Interface explodiert. Laut Berichten könnte der Markt in den USA allein einen Volumen von 400 Milliarden US-Dollar erreichen. Und das könnte erst der Anfang sein.

In diesem Artikel werden wir darüber sprechen, wie weit die Technologie des Brain-Computer-Interface, die möglicherweise die Zukunft der Menschheit verändern kann, schon fortgeschritten ist. Wer führt? Wer könnte vielleicht einen Überholmanöver schaffen? Und wann wird diese Technologie für die normale Bevölkerung zugänglich sein?

01 Das Prinzip des Brain-Computer-Interface: Von der „Gesundsschätzung“ bis zur „Kontrolle aller Dinge“

Das Brain-Computer-Interface, englisch Brain–Computer Interface (BCI), schafft einfach gesagt eine direkte Kommunikationsverbindung zwischen dem menschlichen Gehirn und externen Geräten. Es umgeht unser traditionelles Nerven-Muskel-Sinnesorgan-System, sodass das Gehirn direkt mit Maschinen „sprechen“ kann.

Nehmen wir als Beispiel das Arbeiten am Computer: Normalerweise müssen wir mit unseren Fingern auf der Tastatur tippen oder die Maus bewegen, um Aktionen auszuführen. Mit der BCI-Technologie können Sie diesen Zwischenschritt überspringen und den Computer direkt mit dem „Denken“ steuern. Dies ist keine Gedankenleserei, sondern es werden die Signale, die das Gehirn aussendet, aufgezeichnet und von Algorithmen in Anweisungen umgewandelt, die Maschinen verstehen können.

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

Stellen Sie sich vor, dass es in Ihrem Gehirn 86 Milliarden Neuronen gibt, die jederzeit miteinander „sprechen“, also über elektrische Signale kommunizieren. Dass Sie diesen Text lesen und verstehen können, beruht darauf, dass Ihre Neuronen elektrische Impulse aussenden. Das Prinzip des Brain-Computer-Interface ist eigentlich sehr einfach:

Schritt 1: Signalaufzeichnung. Die Aktivität der Neuronen wird über Elektroden oder Ultraschall aufgezeichnet, ähnlich wie wenn man in einer Gruppe von Milliarden von Neuronen einen hochpräzisen Horcher installiert.

Schritt 2: Signaldecodierung. AI-Algorithmen werden verwendet, um diese Signale zu decodieren und zu verstehen, was das Gehirn vorhat. Wenn Sie beispielsweise Ihren Finger bewegen möchten, senden bestimmte Neuronen in der motorischen Hirnrinde in einem bestimmten Muster elektrische Impulse. Wenn die KI diesen Muster erkennt, weiß sie, was Sie tun möchten.

Schritt 3: Befehlsausgabe. Die decodierten Befehle werden an externe Geräte gesendet – Computerzeiger, Roboterarme, Rollstühle oder sogar zukünftige humanoide Roboter.

Schritt 4: Rückkopplungsschleife. Die fortschrittlichsten Brain-Computer-Interfaces arbeiten auch rückwärts: Nachdem das Gerät eine Aktion ausgeführt hat, sendet es ein Rückmeldungssignal an das Gehirn, um ein interaktives System zu schaffen. Wenn Sie beispielsweise mit einem Brain-Computer-Interface einen Roboterarm steuern, um eine Tasse aufzuheben, kann das Gehirn das Gefühl und das Gewicht der Tasse „spüren“, und so wird eine vollständige Rückkopplungsschleife geschaffen.

Chapter 1.2 Drei Technologiestrategien: Ein Kompromiss zwischen Sicherheit und Leistung

Wir wissen bereits, was ein Brain-Computer-Interface können kann, aber die Frage, wie man es baut, ist schwierig. Denn es geht darum, Chips in das wichtigste und empfindlichste Organ, das Gehirn, einzubetten, und die Sicherheit darf dabei nicht vernachlässigt werden. Deshalb hat sich das Brain-Computer-Interface in drei Technologiestrategien entwickelt, die unterschiedliche Kompromisse zwischen Sicherheit und Leistung eingehen.

Die erste Strategie ist die nicht-invasive Methode: Der Vorteil ist, dass sie am sichersten ist, aber der Nachteil ist, dass das Signal am schwächsten ist. Diese Geräte funktionieren wie ein „Gedankenlesehut“ und können einfach aufgesetzt werden. Das Prinzip besteht darin, dass Elektroden auf der Kopfhaut die schwachen elektrischen Signale des Gehirns erfassen.

Der Vorteil besteht darin, dass es vollständig nicht-invasiv ist und keine Operation erfordert, dass es einfach zu bedienen ist und direkt nach dem Anlegen einsatzbereit ist, und dass es relativ preiswert ist, da Consumer-Geräte nur ein paar hundert bis ein paar tausend US-Dollar kosten. Die Nachteile sind jedoch offensichtlich: Das Signal ist sehr schwach, wie wenn man Musik durch eine dicke Wand hindurch hört; die Genauigkeit ist gering, es können nur einfache Steuerungen durchgeführt werden, und es ist leicht anfällig für Störungen durch Haare, Schweiß und äußere elektromagnetische Felder.

Viele Brain-Computer-Interface-Produkte auf dem Markt verwenden die nicht-invasive Methode, die sich aufgrund ihrer Einfachheit und Benutzerfreundlichkeit für Consumer-Anwendungen eignet. Allerdings wird die Wirksamkeit dieser Methoden 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 3.000 Hertz. Vor allem im Bereich von 3.000 Hertz liegt die Aktionspotential der Neuronen.

Der Schädel und die Membran auf der Gehirnoberfläche sind ein ausgezeichneter Tiefpassfilter. Alle Signale über 40 Hertz werden herausgefiltert. Wenn man die nicht-invasive Methode verwendet, kann man physikalisch gesehen keine Signale von einzelnen Neuronen erhalten, sondern nur ein Durchschnittsergebnis.

Ye Tianyang

Mitbegründer und CTO von Axoft:

Unser Schädel ist ein perfekter Isolator. Die meisten elektrischen Signale im Gehirn werden von ihm blockiert. Stellen Sie sich vor, dass alle Gedanken im Gehirn eine wunderbare Symphonie sind, und unser Schädel ist ein Konzertsaal. Wenn Sie Elektroden außerhalb des Schädel anbringen, um die elektrischen Signale des Gehirns zu messen, ist es, als würden Sie eine Symphonie von außerhalb eines Konzertsaals hören. Egal wie wunderbar die Symphonie ist und wie hochwertige Aufnahmegeräte Sie außerhalb des Saals verwenden, aufgrund der dicken Wand des Saals hören Sie schließlich nur ein sehr schwaches und verrauschtes Signal. Dies ist das Problem der nicht-invasiven Brain-Computer-Interface-Technologie: Es ist schwierig, hochpräzise und breitbandige Signale zu erhalten.

Die zweite Strategie ist die halb-invasive Methode. Die halb-invasive Methode ist ein Mittelweg, der eine Schädelöffnung erfordert, 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 ist als bei der nicht-invasiven Methode, aber das Risiko geringer ist als bei der voll-invasiven Methode; der Nachteil ist, dass die Anzahl der Kanäle relativ gering ist und die Leistung nicht so gut ist wie bei der voll-invasiven Methode.

Diese Strategie ist jedoch etwas unglücklich, denn wie uns ein Gast sagte, besteht das größte Risiko in der Schädelöffnungsoperation. Wenn man die Schädelöffnung vornimmt, um Daten zu sammeln, aber nicht tief genug eindringt, ist es, als käme man in einen Konzertsaal, um eine Symphonie zu hören, aber sitzt in der letzten Reihe.

Ye Tianyang

Mitbegründer und CTO von Axoft:

Die invasive Brain-Computer-Interface-Technologie ist in zwei Richtungen unterteilt: Die Surface Brain-machine Interface (Oberflächen-Brain-Computer-Interface) und die Depth Brain-machine Interface (Tiefen-Brain-Computer-Interface). Wenn man den Schädel öffnet und das Gehirn freilegt, kann man entweder die Elektroden auf der Gehirnoberfläche anbringen, um die elektrischen Signale zu messen, oder die Elektroden in das Gehirn einführen. Wenn man die Elektroden auf der Gehirnoberfläche anbringt, bleibt die Gehirnstruktur intakt, aber der Nachteil ist, dass die elektrischen Signale des Gehirns hauptsächlich in der Tiefe entstehen.

Deshalb gibt es immer noch das Problem, wie man Musik in einem Konzertsaal hört. Sie befinden sich zwar im Konzertsaal, aber Sie sitzen in der letzten Reihe. Ist es besser, in der letzten Reihe mit einem hochwertigen Mikrofon zu sitzen oder in der ersten Reihe mit einem weniger guten Mikrofon? Dies ist ein Thema, über das man diskutiert. Die Tiefenelektroden hingegen werden direkt in die Nähe der Neuronen eingeführt, um die ersten, präzisesten und hochauflösendsten Signale zu erhalten und so die Gedanken des Gehirns vollständig wiederherzustellen. Dies sind die beiden Richtungen in der invasiven Brain-Computer-Interface-Technologie.

Also, wie tief muss man nach der Schädelöffnung eindringen, um Daten zu sammeln? Dies ist ein Schlüsselpunkt, den die Branche derzeit aktiv diskutiert und Lösungen sucht.

Die dritte Strategie ist die invasive Brain-Computer-Interface-Technologie. Wie der Name schon sagt, werden diese Geräte direkt in die Hirnrinde eingeführt und stehen in „Nullabstand“ zu den Neuronen. Sie verwenden winzige Elektrodennadeln, die direkt in das Gehirngewebe eingeführt werden, um die Aktivität einzelner Neuronen aufzuzeichnen.

Der Vorteil ist, dass das Signal stark ist, wie wenn man hochauflösende Stereomusik hört; die Genauigkeit ist sehr hoch, und komplexe Steuerungen können durchgeführt werden; die Bandbreite ist groß, und mehr Informationen können übertragen werden. Der Nachteil ist, dass eine Schädelöffnungsoperation erforderlich ist, das Risiko hoch ist; die langfristige Implantation von Elektrodennadeln kann zu Abstoßungsreaktionen und sogar zu Infektionen führen, und die Elektroden können sich im Laufe der Zeit auflösen.

Außerdem gibt es das Problem des Implantationsmaterials.

Liu Jia

Assistentprofessor an