Melding Mind and Machine: Wie nah sind wir?

So wie die alten Griechen von einem Höhenflug träumten, träumten die heutigen Vorstellungen davon, Gedanken und Maschinen zu verschmelzen, um das lästige Problem der menschlichen Sterblichkeit zu lösen. Kann der Verstand über Technologien der Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI) direkt mit künstlicher Intelligenz, Robotern und anderen Verstandes in Verbindung treten, um unsere menschlichen Grenzen zu überwinden?

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In den letzten 50 Jahren haben Forscher in Universitätslabors und Unternehmen auf der ganzen Welt beeindruckende Fortschritte bei der Verwirklichung einer solchen Vision erzielt. Kürzlich haben erfolgreiche Unternehmer wie Elon Musk (Neuralink) und Bryan Johnson (Kernel) neue Start-ups angekündigt, die die menschlichen Fähigkeiten durch eine Schnittstelle zwischen Gehirn und Computer verbessern wollen.

Wie nah sind wir wirklich daran, unser Gehirn erfolgreich mit unseren Technologien zu verbinden? Und was könnten die Auswirkungen sein, wenn unser Verstand gesteckt ist?

Herkunft: Rehabilitation und Restaurierung

Eb Fetz, Forscher am Center for Sensorimotor Neural Engineering (CSNE), ist einer der ersten Pioniere, die Maschinen mit dem Verstand verbinden. Bevor es 1969 überhaupt PCs gab, zeigte er, dass Affen ihre Gehirnsignale verstärken können, um eine Nadel zu steuern, die sich auf einem Zifferblatt bewegte.

Ein Großteil der jüngsten Arbeiten zu BCIs zielt darauf ab, die Lebensqualität von gelähmten Menschen oder Menschen mit schweren motorischen Behinderungen zu verbessern. Möglicherweise haben Sie in den Nachrichten kürzlich einige Errungenschaften gesehen: Forscher der Universität Pittsburgh verwenden im Gehirn aufgezeichnete Signale, um einen Roboterarm zu steuern. Stanford-Forscher können die Bewegungsabsichten gelähmter Patienten aus ihren Gehirnsignalen extrahieren und so die drahtlose Verwendung eines Tablets ermöglichen.

In ähnlicher Weise können einige eingeschränkte virtuelle Empfindungen an das Gehirn zurückgesendet werden, indem elektrischer Strom innerhalb des Gehirns oder an die Gehirnoberfläche abgegeben wird.

Was ist mit unseren wichtigsten Sinnen von Sehen und Tönen? Sehr frühe Versionen von bionischen Augen für Menschen mit schwerer Sehbehinderung wurden kommerziell eingesetzt, und verbesserte Versionen werden derzeit an Menschen getestet. Cochlea-Implantate hingegen haben sich zu einem der erfolgreichsten und am weitesten verbreiteten bionischen Implantate entwickelt - über 300.000 Anwender weltweit verwenden die Implantate zum Hören.

Eine bidirektionale Gehirn-Computer-Schnittstelle (BBCI) kann sowohl Signale vom Gehirn aufzeichnen als auch durch Stimulation Informationen an das Gehirn zurücksenden. (Zentrum für sensomotorische Neurotechnik (CSNE), CC BY-ND)

Die ausgefeiltesten BCIs sind „bidirektionale“ BCIs (BBCIs), die das Nervensystem sowohl aufnehmen als auch stimulieren können. In unserem Zentrum untersuchen wir BBCIs als ein radikal neues Rehabilitationsinstrument für Schlaganfall- und Rückenmarksverletzungen. Wir haben gezeigt, dass ein BBCI verwendet werden kann, um die Verbindungen zwischen zwei Gehirnregionen oder zwischen Gehirn und Rückenmark zu stärken und Informationen um einen verletzten Bereich herum umzuleiten, um ein gelähmtes Glied wiederzubeleben.

Mit all diesen bisherigen Erfolgen könnte man meinen, dass eine Gehirn-Computer-Schnittstelle das nächste Muss für Konsumenten sein wird.

Noch frühe Tage

Ein Elektrokortikographiegitter, mit dem elektrische Veränderungen auf der Oberfläche des Gehirns erfasst werden, wird auf elektrische Eigenschaften getestet. (Zentrum für sensomotorische Neurotechnik, CC BY-ND)

Ein genauerer Blick auf einige der aktuellen BCI-Demonstrationen zeigt jedoch, dass wir noch einen weiten Weg vor uns haben: Wenn BCIs Bewegungen produzieren, sind sie viel langsamer, weniger präzise und weniger komplex als das, was leistungsfähige Menschen jeden Tag mühelos mit ihren Gliedmaßen tun. Bionische Augen bieten eine sehr geringe Auflösung; Cochlea-Implantate können begrenzte Sprachinformationen elektronisch übertragen, aber das Musikerlebnis verzerren. Und damit all diese Technologien funktionieren, müssen Elektroden chirurgisch implantiert werden - eine Perspektive, die die meisten Menschen heutzutage nicht in Betracht ziehen würden.

Nicht alle BCIs sind jedoch invasiv. Es gibt nicht-invasive BCIs, für die keine Operation erforderlich ist. Sie basieren in der Regel auf elektrischen (EEG-) Aufzeichnungen von der Kopfhaut und wurden verwendet, um die Steuerung von Cursorn, Rollstühlen, Roboterarmen, Drohnen, humanoiden Robotern und sogar die Kommunikation von Gehirn zu Gehirn zu demonstrieren.

Alle diese Demos fanden jedoch im Labor statt - wo die Räume ruhig sind, die Testpersonen nicht abgelenkt werden, der technische Aufbau lang und methodisch ist und Experimente nur lange genug dauern, um zu zeigen, dass ein Konzept möglich ist. Es hat sich als sehr schwierig erwiesen, diese Systeme schnell und robust genug zu machen, um in der Praxis eingesetzt zu werden.

Selbst bei implantierten Elektroden ergibt sich ein weiteres Problem beim Versuch, Gedanken zu lesen, aus der Struktur unseres Gehirns. Wir wissen, dass jedes Neuron und seine tausenden verbundenen Nachbarn ein unvorstellbar großes und sich ständig veränderndes Netzwerk bilden. Was könnte das für Neuroingenieure bedeuten?

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen ein Gespräch zwischen einer großen Gruppe von Freunden über ein kompliziertes Thema zu verstehen, aber Sie dürfen nur einer einzelnen Person zuhören. Möglicherweise können Sie das sehr grobe Thema der Konversation herausfinden, aber auf keinen Fall alle Details und Nuancen der gesamten Diskussion. Da wir mit unseren besten Implantaten immer nur ein paar kleine Hirnflecken gleichzeitig hören können, können wir einige beeindruckende Dinge tun, aber wir sind noch lange nicht in der Lage, die gesamte Konversation zu verstehen.

Es gibt auch das, was wir als Sprachbarriere betrachten. Neuronen kommunizieren miteinander durch eine komplexe Wechselwirkung von elektrischen Signalen und chemischen Reaktionen. Diese native elektrochemische Sprache kann mit elektrischen Schaltkreisen interpretiert werden, aber es ist nicht einfach. In ähnlicher Weise ist es für Neuronen schwierig zu verstehen, was die Stimulation inmitten all der anderen fortlaufenden neuronalen Aktivitäten zu vermitteln versucht, wenn wir mit elektrischer Stimulation zum Gehirn zurückkehren.

Schließlich gibt es das Problem der Beschädigung. Hirngewebe ist weich und flexibel, während die meisten unserer elektrisch leitenden Materialien - die Drähte, die mit dem Hirngewebe verbunden sind - sehr steif sind. Dies bedeutet, dass implantierte Elektronik häufig Narben und Immunreaktionen hervorruft, wodurch die Wirksamkeit der Implantate mit der Zeit abnimmt. Flexible biokompatible Fasern und Arrays können in dieser Hinsicht möglicherweise Abhilfe schaffen.

Sich anpassen, zusammenleben

Trotz all dieser Herausforderungen blicken wir optimistisch in unsere bionische Zukunft. BCIs müssen nicht perfekt sein. Das Gehirn ist erstaunlich anpassungsfähig und in der Lage, den Umgang mit BCIs auf ähnliche Weise zu erlernen wie das Erlernen neuer Fähigkeiten wie Autofahren oder die Verwendung einer Touchscreen-Oberfläche. Ebenso kann das Gehirn lernen, neue Arten von sensorischen Informationen zu interpretieren, auch wenn diese nicht invasiv abgegeben werden, z. B. mithilfe magnetischer Impulse.

Letztendlich glauben wir, dass sich ein „co-adaptives“ bidirektionales BCI, bei dem die Elektronik mit dem Gehirn lernt und während des Lernprozesses ständig mit dem Gehirn spricht, als notwendiger Schritt zum Aufbau der neuronalen Brücke erweisen könnte. Der Aufbau solcher co-adaptiver bidirektionaler BCIs ist das Ziel unseres Zentrums.

Ebenso erfreut sind wir über die jüngsten Erfolge bei der gezielten Behandlung von Krankheiten wie Diabetes mit „Elektrozeutika“ - experimentellen kleinen Implantaten, die eine Krankheit ohne Medikamente behandeln, indem sie Befehle direkt an die inneren Organe weiterleiten.

Und Forscher haben neue Wege gefunden, um die elektrisch-biochemische Sprachbarriere zu überwinden. Injizierbare „neuronale Spitzen“ könnten sich beispielsweise als vielversprechende Methode erweisen, um das Wachstum von Neuronen neben implantierten Elektroden schrittweise zu ermöglichen, anstatt sie abzustoßen. Flexible, auf Nanodrähten basierende Sonden, flexible Neuronengerüste und glasartige Kohlenstoffgrenzflächen könnten es auch künftig ermöglichen, dass biologische und technologische Computer in unserem Körper glücklich koexistieren.

Von assistiv bis augmentativ

Elon Musks neues Startup Neuralink hat das erklärte Endziel, Menschen mit BCIs zu stärken, um unseren Gehirnen im ständigen Wettrüsten zwischen menschlicher und künstlicher Intelligenz einen Schritt nach oben zu geben. Er hofft, dass das menschliche Gehirn durch die Fähigkeit, sich mit unseren Technologien zu verbinden, seine eigenen Fähigkeiten verbessern könnte - was es uns möglicherweise ermöglicht, eine potenzielle dystopische Zukunft zu vermeiden, in der die KI die natürlichen menschlichen Fähigkeiten weit übertroffen hat. Eine solche Vision mag sicherlich weit entfernt oder phantasievoll erscheinen, aber wir sollten eine Idee über Fremdheit allein nicht ablehnen. Immerhin waren selbstfahrende Autos schon vor eineinhalb Jahrzehnten in den Bereich der Science-Fiction verbannt - und teilen nun unsere Straßen.

Ein BCI kann in mehreren Dimensionen variieren: ob es mit dem peripheren Nervensystem (einem Nerv) oder dem zentralen Nervensystem (dem Gehirn) in Kontakt steht, ob es invasiv oder nicht-invasiv ist und ob es dabei hilft, verlorene Funktionen wiederherzustellen oder die Fähigkeiten zu verbessern. (James Wu; adaptiert von Sakurambo, CC BY-SA)

In naher Zukunft müssen wir uns einer Vielzahl von Problemen in Bezug auf Einwilligung, Datenschutz, Identität, Entscheidungsfreiheit und Ungleichheit bewusst sein, da die Schnittstellen zwischen Gehirn und Computer über die Wiederherstellung der Funktion von behinderten Menschen hinausgehen und Menschen mit Behinderungen über ihre menschlichen Fähigkeiten hinaus befähigen . In unserem Zentrum arbeitet ein Team von Philosophen, Klinikern und Ingenieuren aktiv daran, diese ethischen, moralischen und sozialen Gerechtigkeitsaspekte anzugehen und neuroethische Richtlinien vorzulegen, bevor das Feld zu weit voranschreitet.

Die direkte Verbindung unseres Gehirns mit der Technologie kann letztendlich eine natürliche Weiterentwicklung dessen sein, wie sich der Mensch über die Jahrhunderte hinweg mit Technologie bereichert hat, angefangen bei der Verwendung von Rädern zur Überwindung unserer zweibeinigen Beschränkungen bis hin zur Erstellung von Notizen auf Tontafeln und Papier, um unsere Erinnerungen zu verstärken. Ähnlich wie die Computer, Smartphones und Virtual-Reality-Headsets von heute werden Augmentative BCIs, wenn sie endlich auf dem Verbrauchermarkt ankommen, aufregend, frustrierend, riskant und gleichzeitig vielversprechend sein.

Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht.

James Wu, Ph.D. Student in Bioengineering, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Center for Sensorimotor Neural Engineering der University of Washington

Rajesh PN Rao, Professor für Informatik und Ingenieurwesen und Direktor des Zentrums für sensomotorische Neurotechnik an der Universität von Washington