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Der Ingenieur der Universität Houston, Jose Contreras-Vidal, betreibt eine futuristische, ungewöhnliche Science-Fiction-Forschung. Er hat eine „Gehirn-Maschine-Schnittstelle“ entwickelt, um Gehirnsignale zu interpretieren und in Bewegung umzuwandeln. Mit dieser Schnittstelle hat er eine bionische Hand und einen Computeravatar geschaffen, die vom Verstand des Benutzers gesteuert werden.
Das Herzstück seiner Arbeit ist jedoch ein gedankengesteuertes Exoskelett, das gelähmten Menschen beim Gehen hilft. Contreras-Vidal arbeitet seit einigen Jahren mit dem von REX Bionics aus Neuseeland entwickelten REX-Unterkörper-Exoskelett. Das Exoskelett kann mit einem Joystick gesteuert werden. Contreras-Vidal und sein Team haben jedoch eine Version nachgerüstet, die mit ihrer Gehirn-Maschinen-Schnittstelle verwendet werden kann. Der Benutzer des Exoskeletts trägt eine Elektrodenkappe mit Sensoren auf der Kopfhaut, die die elektrische Aktivität im Gehirn messen. Ein von Contreras-Vidal und seinem Team entwickelter Algorithmus „interpretiert“ die Gehirninformationen und übersetzt sie in Bewegungen des Exoskeletts. Mit anderen Worten, der Träger denkt "Bewegung, linkes Knie" und der Algorithmus setzt es in Aktion um. Dies kann zu relativ schnellen Bewegungen führen, da selbst bei nicht verletzten Personen der Informationsfluss vom Gehirn zum Körper nur einen Sekundenbruchteil dauert.
"Jedes Mal, wenn wir eine Bewegung planen, sind die Informationen da, bevor wir die Bewegung tatsächlich sehen", sagt Contreras-Vidal.
Eine Reihe von Forschern hat im Laufe der Jahre gelähmten Menschen dabei geholfen, sich mithilfe von in ihr Gehirn implantierten Elektroden zu bewegen. Das zum Patent angemeldete System von Contreras-Vidal ist anders, da es nicht invasiv ist - Benutzer können die Elektrodenkappe nach Belieben an- und abnehmen. Dies ist besonders nützlich bei Patienten, die das Exoskelett nur vorübergehend benötigen, z. B. Schlaganfallopfern, die das Exoskelett zur Wiederherstellung der Gehfähigkeit verwenden und dann lernen, ohne Hilfe zu gehen. (Ein brasilianisch geführtes Team entwickelte ein nicht-invasives, gehirngesteuertes Exoskelett, damit ein Querschnittsgelähmter die Weltmeisterschaft 2014 beginnen konnte. Der Anzug erlaubte dem Benutzer jedoch nicht, ohne Hilfe zu gehen.)
Das gedankengesteuerte Exoskelett ist das Ergebnis jahrelanger Arbeit an der Entschlüsselung der Sprache des Gehirns. An der Universität von Houston leitet Contreras-Vidal das Labor für nicht-invasive Gehirn-Maschinen-Schnittstellensysteme, in dem ein Team von Ingenieuren, Neurowissenschaftlern, Ärzten, Computerexperten und sogar Künstlern beschäftigt ist. Vor Houston leitete er das Labor für Neurotechnik und intelligente Prothetik an der University of Maryland, wo er an der Entwicklung einer gehirngesteuerten Prothetik für Amputierte arbeitete. Die Algorithmen, mit denen Gedanken in Bewegung umgesetzt werden, werden laut Contreras-Vidal in einem von ihm als "kreativ" bezeichneten Prozess ständig verbessert.
Derzeit arbeitet sein Labor an mehreren Projekten, die die Schnittstelle zwischen Gehirn und Maschine verwenden. Ein Projekt befasst sich mit der neuromotorischen Entwicklung bei Kindern unter Verwendung der Elektrodenkappe. Das Team hofft, dass ein besseres Verständnis dieses Prozesses möglicherweise Kindern mit neurologischen Entwicklungsstörungen wie Autismus helfen wird. Ein anderer versucht zu verstehen, was im Gehirn passiert, wenn Menschen Kunst erleben und Museumsbesucher bei der Betrachtung einer Kunstinstallation mit einer Elektrodenkappe ausstatten.
Das gehirngesteuerte Exoskelett befindet sich derzeit in der Erprobung. Es wurde bereits in einer Reihe von realen Szenarien verwendet. Ein britischer Tetraplegiker ging kürzlich auf einer Konferenz in Italien mit dem Exoskelett spazieren.
Contreras-Vidal und einige seiner Studenten werden das Exoskelett beim bevorstehenden Smithsonian Innovation Festival demonstrieren. Das Festival, eine Zusammenarbeit zwischen der Smithsonian Institution und dem US-amerikanischen Patent- und Markenamt, findet vom 26. bis 27. September im National Museum of American History statt.
„Wir freuen uns sehr über den Besuch des Smithsonian, da Wissenschaftler meiner Meinung nach mit der Öffentlichkeit, insbesondere mit Kindern, sprechen müssen“, sagt Contreras-Vidal. "Sie müssen sich mit dieser Art von Technologie auseinandersetzen, um zu sehen, dass es wirklich um das Schaffen und Innovieren geht."
Als ob das roboterartige Exoskelett für Kinder und andere Festivalbesucher nicht beeindruckend genug wäre, ermöglichen Contreras-Vidal und sein Team den Besuchern, ihre eigenen Gehirnströme auf einem Bildschirm zu betrachten, indem sie Elektrodenkappen aufsetzen. Contreras-Vidal beschreibt das Einstellen der Gehirnströme einer Person als "Hören auf die Neurosymphonie".
"Ich sehe das Gehirn gerne als Symphonie, in der alle wichtigen Bereiche Teil des Ensembles sind und jeder Spieler in diesem Ensemble für einen bestimmten Aspekt seines Verhaltens verantwortlich ist", sagt er. "Um diese Musik zu spielen, müssen sie koordinieren."
Die Tänzerin Becky Valls trägt die Elektrodenkappe von Contreras-Vidal (University of Houston) Die Überschneidung von Kunst und Wissenschaft ist ein wichtiger Teil der Arbeit von Contreras-Vidal. In der Vergangenheit hat er Künstler dazu verdrahtet, in die kreativen Prozesse ihres Gehirns zu blicken. In jüngerer Zeit hat er mit Tänzern gearbeitet. In einem Projekt namens Your Brain on Dance hat er Tänzer mit Elektrodenkappen ausgestattet und die resultierenden Gehirnwellen auf einem Bildschirm angezeigt, während sie auftreten. Er glaubt, dass diese Art der Untersuchung der neuronalen Grundlagen der Bewegung letztendlich zu einem neuen Verständnis von Parkinson und anderen Gehirnerkrankungen führen könnte.
Auf dem Innovationsfestival wird den Besuchern eine solche Tanzperformance geboten.
„Wissenschaftler können viel von der Kunst lernen und umgekehrt“, sagt Contreras-Vidal. "Ich hoffe, dass dies die Fantasie von Menschen, insbesondere von Kindern, anregen wird."
Das Innovation Festival findet am 26. und 27. September zwischen 10 und 17 Uhr im National Museum of American History statt. Die Veranstaltung, die von der Smithsonian Institution und dem US-Patent- und Markenamt organisiert wird, zeigt Beispiele für amerikanischen Erfindungsreichtum, die von Independent entwickelt wurden Erfinder, akademische Institutionen, Unternehmen und Regierungsbehörden.
