Ein Gehirn-Computer Schnittstelle, besser bekannt unter dem englischen Namen Brain-Computer Interface (BCI) ist ein Gerät dass Hirnsignale übersetzt in ein Aktion, wie Bedienung von Software (zum Beispiel ein Textverarbeiter) oder Apparatur (zum Beispiel ein Fernseher). Auf dieser Seite erläutern wir für wen ein BCI geeignet ist und wie ein BCI funktioniert. Wir nennen die unterschiedliche Arten wie BCIs funktionieren können. Die meiste Text handelt sich über BCI’s für schwer gelähmte Menschen.

Was ist ein BCI?
Für wen ist einen BCI geeignet?
Wie funktioniert ein BCI?
BCI für Menschen mit Lähmungen, die letzte Stand

Was ist ein BCI?

Ein BCI is ein Gerät dass besteht aus verschiedene Teilen: es gibt Sensoren den Hirnsignale ableiten (sogenannte Elektroden), ein Verstärker die die schwache Hirnsignale verstärkt weiter sendet, ein Computer die die verstärkte Signale übersetzt nach Kontrollsignale für Apparatur und die Apparatur selber.
Die meiste Teile können tragbar gemacht werden. Die Apparatur ist Hilfsmittel für Gelähmte oder ein üblichen Computer mit Computerspiele und Internetzugang. Auch gibt es Spielzeug das mit BCI gesteuert werden kann, wie einen kleinen Hubschrauber.

Für wen ist einen BCI geeignet?

BCI’s sind noch in Entwicklung, für verschiedene Anwendungen. Oft ist die Anwendung vorübergehend oder unverbindlich, zum Beispiel für Personen in Rehabilitation oder, für gesunden Menschen, um Computerspiele eine weitere Dimension zu geben.
Manchmal sind Anwendungen dafür entwickelt eine Funktion zu ersetzen, die durch Erkrankung oder Unfall nicht mehr anwesend ist.

Für unverbindliche Anwendungen, wie Computerspiele, sind schon verschiedene BCI’s im Handel erhältlich, aber die Genauigkeit diesen Systemen ist nicht optimal. Das ist für diese Anwendung kein Problem. Alle BCI’s für Gamer benutzen Elektroden die auf dem Haupthaut plaziert sind, oft mit einer Art Helm.

Für medizinische Anwendungen, vor allem für Menschen mit schwere Lähmungen oder cerebrale Parese, werden die höchste Anforderungen gestellt an einem BCI. Die Leistung muss sehr gut sein wenn das System für Kommunikation oder Umgebungskontrolle benutzt wird. In diesem Bereich gibt es noch viele neue Entwicklungen. Es wird nicht nur entwickelt für Elektroden auf dem Kopfhaut, sondern auch für implantierter Elektroden. Letztere geben nämlich ein viel höhere Genauigkeit als mit den nicht-implantierten Elektroden.

Ein BCI ist vor allem geeignet für Menschen die völlig gelähmt sind. Je näher die Unterbrechung am Gehirn liegt, um so gravierender ist die Lähmung. In seltene Fälle gibt es kein Muskeln mehr die kontrolliert werden können, Ärzte nennen das Locked-In Syndrom. Sprechen ist unmöglich, Kommunikation gelingt oft nur noch mit Augenblinzeln oder Augenbewegungen.

BCI’s zum Wiederherstellung oder Verbesserung der Kommunikation bei Menschen mit LIS werden noch weiter entwickelt. Mit diese Systeme, erwartet man, kann man auf jeden Moment ohne Mithilfe von Anderen selbständig kommunizieren über Internet, Geräten- und ausschalten und Familie und Pflegepersonal rufen.

Auch für Menschen mit ein weniger gravierende Lähmung könnte ein BCI nützlich sein. So gibt es zum Beispiel schon Demonstrationen von Bewegung künstlicher Gliedmaßen. Das Denken an einer Handbewegung kontrolliert in diesem Fall einen Roboterarm. Es ist im Moment nicht klar ob und wann diese BCI’s zum geringen Kost verfügbar werden.

Hoe werkt een brein-computer interface?

Hirnsignale

Die Funktion eines BCIs ist basiert auf das Messen und Interpretieren von Hirnsignalen. Hirnzellen kommunizieren mit andere Hirnzellen mit Hilfe von elektrischer Signalen, sogenannte Hirnaktivität. Diese Hirnaktivität kann man von einen kleinen Distanz messen.

Lange Nervenbanen leiten diese Elektrische Impulse über Rückenmark nach den Muskeln, damit wir freiwillig Bewegungen machen können, wie schreiben oder sprechen. Wenn die Nervenbanen beschädigt sind, zum Beispiel wegen Schlaganfall oder neuromuskulären Erkrankungen, erreichen die elektrische Signale die Muskeln nicht mehr. Damit sind die Muskel gelähmt. Die Hirnzellen die den ersten Impuls geben funktionieren meistens noch. Von diesen Zellen kann ein BCI messen.

Die Messung von Hirnsignalen

Man kann Hirnsignale mit verschiedenen Techniken messen, alle haben ihre Vor- und Nachteile. Ein vielbenutzter Technik bei neurologischen Untersuchungen ist Elektroenzephalografie (EEG). EEG misst man mit Elektroden auf den Kopfhaut.

Es ist auch möglich Elektroden unter den Schädel, direkt auf den Gehirnoberfläche zu implantieren. Das geschieht während einen Operation, hat aber keine negative Folge für das Gehirn. Die Qualität der gemessenen Signalen ist sehr viel höher als von EEG. Auf diesen Grund werden Hirnimplantationen entwickelt für Menschen mit Lähmungen.

Weitere Messtechniken für BCI sind funktioneller MRT, wobei die Hirnaktivität sichtbar ist in einen MRT, und Magnet-enzefalografie, was man mißt mit einem MEG-Gerät. Diese Geräte sind aber zu groß und zu teuer um zu Hause zu benutzen.

Als letztes gibt es noch Nahinfrarotspektroskopie, ein Technik mit dem man die Hirnaktivität misst mit Infrarot Licht durch den Schädel. Wie bei EEG ist die Genauigkeit nicht zureichend für medizinische Anwendungen.

Hirnfunktionen

Alle Teile unserer Körpers haben ihren eigenen ‘Kontrollzentrum’ im Gehirn, dass die Bewegung von dem Teil steuert.
Das Zusammenballen der rechter Hand und das Bewegen dem linken Fuß werden zum Beispiel von unterschiedlichen Hirnareale gesteuert.

Mit den obengenannten Messtechniken kann man messen ob ein Hirnareal aktiviert ist. Dass heißt: in der Hirnaktivität sehen wir ob jemandem seine linken Arm bewegt. Das Besondere daran ist dass man diese Aktivität auch sieht wenn jemandem nur an dieser Bewegung denkt, auch wenn eine echte Bewegung nicht mehr möglich ist.

Im Allgemeinen sind die Kontrollzentren der unterschiedlichen Teilen unbeeinträchtigt in Menschen mit LIS. Die Hirnarealen sind dann aktiviert beim Denken an einer Bewegung, oder bei einem Versuch zum Bewegen, auch wenn die echte Bewegung nicht mehr möglich ist.

Neben Bewegung können auch viele andere Funktionen im Gehirn gelesen werden. Es gibt zu Beispiel Hirnareale, die aktiviert sind beim Rechnen. Andere Areale sind aktiviert beim sprechen und lesen. Diese Aktivität kann benutzt werden fest zu stellen ob man rechnet oder spricht.

Es gibt also Hirnareale die jemand selbst aktivieren kann, durch Einbildung oder durch einen Auftrag zu verfüllen, zum Beispiel: zähle zurück von 89 in Schritte von 7. Weil auch Menschen mit Lähmungen eigenmächtig ihre Hirnaktivität regeln können, ist ein BCI für Sie einen guten Möglichkeit.

Was geschieht mit dem gemessen Hirnsignalen?

Wenn wir eine Elektrode genau auf dem Hirnareal legen, dass von jemandem eigenmächtig geregelt wird, messen wir genau die zugehörender Aktivität. Wir können dann gleich diese Information benutzen zur Steuerung eines Geräts. Damit können Hirnsignale übersetzt werden in einen Mausklick, womit jemand ein Menü in einem Computerprogramm benutzen kann. Diese Art von Steuerung wird schon oft angewendet bei Behinderten, aber nicht mit einem BCI, aber mit Schalter. So kann mit einem BCI, auf gleiche Weise wie bei einem Schalter, Berichten erstellen.

Ein BCI kan aber nicht Gedankenlesen. Ein BCI kann nur sehen dass die Hirnsignale sich ändern, aber nicht was der Benutzer denkt. Auch mit den weitgehendste Messtechniken, wie funktionelle MRT ist das nicht möglich. Dafür sind ist die Komplexität vom Gehirn zu groß. Ein BCI kann aber wissen dass der Benutzer einen Befehl am Computer will geben. In der Zukunft wird es vielleicht auch möglich einen Unterschied zu machen zwischen mehreren Befehlen, zum Beispiel zweidimensionale Bewegung von einem Mauskursor.

BCI für Menschen mit Lähmungen, die letzte Stand

Der Universitätsklinik Utrecht, die Niederlande, hat zusammen mit Medtronic, einer Firma medizinischer Hilfsmittel, einen implantierbaren BCI entwickelt für Menschen mit LIS oder ähnlich Probleme mit Kommunikation. Der Utrechter NeuroProthese (UNP) ist weltweit das erste und einzige Gerät das selbständig zu Hause benutzt werden kann.
Die Hirnsignale werden drahtlos zu einem Computer gesendet. Dieser Computer kann dan ein Gerät auf Wunsch steuern, wie zum Beispiel ein Buchstabiermaschine.

Im mehreren Forschungsinstitute in der Welt sind auch andere implantierbare BCI’s entwickelt. Die Zeit wird es lehren welche BCI’s am besten geiegnet sind für die unterschiedlichen Benutzergruppen. Auf diesem Moment geben die ersten Versuchen Hoffnung für menschen mit LIS. Gute Ergebnisse können eine weitere Entwicklung beschleunigen, in der auch Menschen, wobei nicht das ganze Körper gelähmt ist, BCI’s haben mit geringen Kosten und hohen Qualität.

Gehirn-Computer Schnittstellen

Gehirn-Computer Schnittstellen

Ein Gehirn-Computer Schnittstelle ist ein System daß Hirnaktivität mißt und weiterleitet an einen Computer. Dieser Computer kann diese Aktivität übersetzen auf benutzbare Information, zum Beispiel um ein einfaches Textverarbeitungsprogramm zu benutzen.

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Die Utrechter NeuroProthese

Die Utrechter NeuroProthese

Die Utrecht NeuroProthese ist ein Gehirn-Computer Schnittstelle. Wir untersuchen ob Menschen mit dem Locked-in Syndrom mit diesem Hilfsmittel kommunizieren könnten.

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Über uns

Über uns

Die Utrecht NeuroProthese wird entwickelt im Universitätsklinik UMC Utrecht. Hier arbeiten Spitzenarbeiter in Versorgung und Forschung zusammen.

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