WARUM GEHIRN-ZU-GEHIRN-KOMMUNIKATION NICHT MEHR UNDENKBAR IST

Telepathie, circa 23. Jahrhundert: Die Verschmelzung der vulkanischen Gedanken durch Berühren der Schläfen mit den Fingerspitzen ist eine anerkannte Technik, um die Handlung einer „Star Trek“ -Episode mit einem Minimum an Dialog voranzutreiben, indem sensorische Eindrücke, Erinnerungen und Gedanken ausgetauscht werden nichtmenschliche Zeichen.

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Telepathie, 2015: Am Center for Sensorimotor Neural Engineering der University of Washington trägt eine junge Frau eine Elektroenzephalogramm-Kappe, die mit Elektroden bestückt ist, die die winzigen Spannungsschwankungen über ihrem Gehirn messen können. Sie spielt ein Spiel und beantwortet Fragen, indem sie einen Blick auf eines der beiden mit „Ja“ und „Nein“ gekennzeichneten Blitzlichter richtet. Das „Ja“ -Licht blinkt 13 Mal pro Sekunde, das „Nein“ um 12 und der Unterschied ist zu klein, um wahrgenommen zu werden, aber für einen Computer ausreichend, um das Abfeuern von Neuronen in ihrem visuellen Kortex zu erkennen. Wenn der Computer feststellt, dass sie auf das Ja-Licht schaut, sendet er ein Signal an einen Raum in einem anderen Gebäude, in dem eine andere Frau mit einer Magnetspule hinter dem Kopf sitzt. Ein "Ja" -Signal aktiviert den Magneten und verursacht eine kurze Störung im Gesichtsfeld des zweiten Subjekts, einen virtuellen Blitz (ein "Phosphen"), den sie als das Auftreten eines Hitzeblitzes am Horizont beschreibt. Auf diese Weise werden die Antworten der ersten Frau an eine andere Person auf dem gesamten Campus weitergeleitet. Auf diese Weise wird „Star Trek“ noch besser: Der Austausch von Informationen zwischen zwei Köpfen, die sich nicht einmal am selben Ort befinden.

Für fast die gesamte menschliche Geschichte war bekannt, dass nur die fünf natürlichen Sinne als Weg ins Gehirn und Sprache und Geste als Kanäle dienten. Jetzt durchbrechen Forscher diese Grenzen des Geistes, bewegen Informationen in und über Raum und Zeit, manipulieren sie und verbessern sie potenziell. Dieses Experiment und andere waren eine „Demonstration, um das Gespräch in Gang zu bringen“, sagt der Forscher Rajesh Rao, der es zusammen mit seiner Kollegin Andrea Stocco durchführte. Das Gespräch, das wahrscheinlich die Neurowissenschaften für einen Großteil dieses Jahrhunderts dominieren wird, verspricht neue Technologien, die sich dramatisch auf die Behandlung von Demenz, Schlaganfall und Rückenmarksverletzungen auswirken werden. Es geht aber auch um die Ethik leistungsfähiger neuer Werkzeuge zur Verbesserung des Denkens und letztendlich um die Natur des Bewusstseins und der Identität.

Diese neue Studie entstand aus Raos Arbeit an "Gehirn-Computer-Schnittstellen", die neuronale Impulse in Signale umwandeln, die externe Geräte steuern können. Die Verwendung eines EEG zur Steuerung eines Roboters, der in einem Raum navigieren und Objekte aufnehmen kann - was Rao und seine Kollegen bereits 2008 demonstriert haben -, ist möglicherweise eines Tages für Tetraplegiker an der Tagesordnung.

Roboterskelette mit taktilen Sensoren, die hier von Miguel Nicolelis gehalten werden, erfassen Änderungen der Position, der Temperatur und des Drucks und senden diese Informationen an das Gehirn. (Paulo Whitaker / Reuters / Corbis)

Um das Gehirn nicht invasiv zu überwachen, passt Rajesh Rao den Teilnehmern der Studie EEG-Kappen an und fügt leitfähiges Gel hinzu, damit Kopfhaut und Elektroden einen guten Kontakt haben. (Jose Mandojana)

Zu den Geräten, die die Forscher in der Demonstration verwendeten, gehörten eine EEG-Kappe, EEG-Elektroden, Kabel, eine Steuerbox und ein Signalverstärker. (Jose Mandojana)

In einer kürzlich durchgeführten Studie verwendeten Affen ihr Gehirn, um einen virtuellen Arm zu steuern und virtuelle Objekte zu manipulieren. Elektrische Signale, die an das Gehirn zurückgesendet wurden, ahmten den Tastsinn nach. (Nicolelis Lab)

Forscher durchbrechen die Grenzen des Geistes und bewegen Informationen in und über Raum und Zeit. (Jose Mandojana)

Die Forscher der University of Washington, Rajesh Rao (links) und Andrew Stocco (rechts), nehmen an der ersten Demonstration der Schnittstelle zwischen Gehirn und Gehirn teil. (Universität von Washington )

In dem, was Rao sagt, war die erste Instanz einer Nachricht, die direkt von einem menschlichen Gehirn an ein anderes gesendet wurde, hat er Stocco angeworben, um ein einfaches Spiel vom Typ "Space Invaders" zu spielen. Während eine Person den Angriff auf einem Bildschirm beobachtete und mit dem Gedanken kommunizierte, den besten Moment zum Feuern zu nutzen, bekam die andere einen magnetischen Impuls, der ihre Hand dazu veranlasste, ohne bewusste Anstrengung einen Knopf auf einer Tastatur zu drücken. Nach einigem Üben, sagt Rao, sind sie ziemlich gut darin geworden.

"Das ist schön", sagte ich, als er mir die Prozedur beschrieb. "Kannst du ihn zum Klavierspielen bringen?"

Rao seufzte. "Nicht mit irgendetwas, das wir jetzt benutzen."

Bei allem, was die Wissenschaft in den letzten Jahrzehnten über das Gehirn erforscht und kartografiert hat, bleibt der Geist eine Black Box. Ein berühmter Aufsatz des Philosophen Thomas Nagel aus dem Jahr 1974 fragte: „Wie ist es, eine Fledermaus zu sein?“ Und kam zu dem Schluss, dass wir es nie erfahren werden. Ein anderes Bewusstsein - das eines anderen Menschen, geschweige denn ein Angehöriger einer anderen Spezies - kann niemals verstanden werden. Für Rao und einige andere ist es eine bemerkenswerte Leistung, diese Tür mit einem winzigen Riss zu öffnen, auch wenn die Arbeit größtenteils unterstrichen hat, wie groß die Herausforderung ist, sowohl konzeptionell als auch technologisch.

Die Rechenleistung und die Programmierung sind der Herausforderung gewachsen. Das Problem ist die Schnittstelle zwischen Gehirn und Computer, insbesondere die, die von Computer zu Gehirn führt. Wie leiten Sie ein Signal an die richtige Gruppe von Nervenzellen unter den geschätzten 86 Milliarden in einem menschlichen Gehirn weiter? Der effizienteste Ansatz ist ein implantierter Transceiver, der fest verdrahtet werden kann, um kleine Regionen des Gehirns bis hinunter zu einem einzelnen Neuron zu stimulieren. Solche Geräte werden bereits zur „Tiefenhirnstimulation“ eingesetzt, einer Technik zur Behandlung von Parkinson-Patienten und anderen Erkrankungen mit elektrischen Impulsen. Es ist jedoch eine Sache, eine Gehirnoperation bei einer unheilbaren Krankheit durchzuführen, und eine andere, die im Rahmen eines Experiments durchgeführt wird, dessen Nutzen bestenfalls spekulativ ist.

Also verwendete Rao eine Technik, bei der der Schädel nicht geöffnet wird, ein schwankendes Magnetfeld, um einen winzigen elektrischen Strom in einer Region des Gehirns zu induzieren. Es scheint sicher zu sein - sein erster Freiwilliger war sein Mitarbeiter Stocco -, aber es ist ein grober Mechanismus. Der kleinste Bereich, der auf diese Weise stimuliert werden kann, ist laut Rao nicht ganz einen halben Zoll breit. Dies beschränkt seine Anwendung auf grobe motorische Bewegungen wie das Drücken einer Taste oder einfache Ja-Nein-Kommunikation.

Eine andere Art der Informationsübertragung, fokussierter Ultraschall genannt, scheint in der Lage zu sein, eine Region des Gehirns zu stimulieren, die so klein ist wie ein Reiskorn. Während die medizinischen Anwendungen für Ultraschall, wie Bildgebung und Gewebeabtragung, hohe Frequenzen von 800 Kilohertz bis zum Megahertz-Bereich verwenden, stellte ein Team unter der Leitung des Harvard-Radiologen Seung-Schik Yoo fest, dass eine Frequenz von 350 Kilohertz gut und anscheinend sicher funktioniert, um ein Signal an das Gehirn einer Ratte zu senden. Das Signal stammte von einem menschlichen Freiwilligen, der mit einem EEG ausgestattet war, das seine Gehirnströme abtastete. Als er sich auf ein bestimmtes Lichtmuster auf einem Computerbildschirm konzentrierte, sendete ein Computer ein Ultraschallsignal an die Ratte, die daraufhin seinen Schwanz bewegte. Yoo sagt, die Ratte habe keine negativen Wirkungen gezeigt, aber die Sicherheit von fokussiertem Ultraschall auf das menschliche Gehirn ist nicht bewiesen. Ein Teil des Problems ist, dass im Gegensatz zur Magnetstimulation der Mechanismus, durch den Ultraschallwellen - eine Form mechanischer Energie - ein elektrisches Potential erzeugen, nicht vollständig verstanden wird. Eine Möglichkeit ist, dass es indirekt funktioniert, indem es die Vesikel oder Säcke in den Zellen des Gehirns „aufspringt“ und sie mit Neurotransmittern überflutet, so als ob es einen Schuss Dopamin genau an die richtige Stelle abgibt. Alternativ könnte der Ultraschall Kavitation - Blasenbildung - in der Zellmembran auslösen und deren elektrische Eigenschaften ändern. Yoo vermutet, dass das Gehirn Rezeptoren für mechanische Stimulation enthält, einschließlich Ultraschall, die von Neurowissenschaftlern weitgehend übersehen wurden. Solche Rezeptoren würden beispielsweise das Phänomen „Sterne sehen“ oder Lichtblitze von einem Schlag auf den Kopf erklären. Wenn sich fokussierter Ultraschall als sicher erweist und sich als praktikabler Ansatz für eine Computer-Gehirn-Schnittstelle herausstellt, eröffnet er eine Vielzahl von unerforschten - in der Tat kaum vorstellbaren - Möglichkeiten.

Direkte verbale Kommunikation zwischen Individuen - eine differenziertere Version von Raos Experiment, bei der zwei verbundene Personen explizite Aussagen austauschen, indem sie nur an sie denken - ist die naheliegendste Anwendung, aber es ist nicht klar, dass eine Spezies, die eine Sprache besitzt, eine technologisch fortgeschrittenere Art zu sagen braucht. “ Ich bin spät dran “oder sogar„ Ich liebe dich “. John Trimper, ein Doktorand der Emory University in Psychologie, der über die ethischen Implikationen von Gehirn-zu-Gehirn-Schnittstellen geschrieben hat, spekuliert, dass die Technologie„ besonders durch drahtlose Kommunikation “ Übertragungen könnten schließlich Soldaten oder Polizisten - oder Kriminellen - ermöglichen, während Operationen still und verdeckt zu kommunizieren. “Das wäre in ferner Zukunft. Bisher reiste die inhaltsreichste Nachricht, die zwischen Menschen ausgetauscht wurde, von einem Thema in Indien zu einem in Straßburg, Frankreich. Die erste Nachricht, die von einer in Barcelona ansässigen Gruppe mühsam in Binärsymbole codiert und decodiert wurde, war „ hola “. Über eine ausgefeiltere Benutzeroberfläche kann man sich beispielsweise ein gelähmtes Schlaganfallopfer vorstellen, das mit einer Pflegekraft oder seinem Hund kommuniziert. Wenn er jedoch sagt: "Bring mir die Zeitung", dann gibt es oder wird es bald Sprachsynthesizer - und Roboter - geben, die das können. Aber was ist, wenn die Person Stephen Hawking ist, der große, von ALS betroffene Physiker, der mit einem Wangenmuskel kommuniziert, um die ersten Buchstaben eines Wortes einzugeben? Die Welt könnte sicherlich von einem direkten Kanal zu seinem Verstand profitieren.

Vielleicht denken wir immer noch zu klein. Vielleicht ist ein Analogon zur natürlichen Sprache nicht die Killer-App für eine Gehirn-zu-Gehirn-Schnittstelle. Stattdessen muss es etwas globaleres und ehrgeizigeres sein - Informationen, Fähigkeiten, sogar rohe sensorische Eingaben. Was wäre, wenn Medizinstudenten eine Technik direkt aus dem Gehirn des weltbesten Chirurgen herunterladen könnten oder wenn Musiker direkt auf die Erinnerung eines großartigen Pianisten zugreifen könnten? "Gibt es nur einen Weg, eine Fähigkeit zu erlernen?", Sinniert Rao. "Kann es eine Abkürzung geben, und ist das Schummeln?" Es muss nicht einmal ein anderes menschliches Gehirn am anderen Ende involviert sein. Es könnte ein Tier sein - wie wäre es, die Welt durch Geruch zu erleben, wie ein Hund - oder durch Echoortung, wie eine Fledermaus? Oder es könnte eine Suchmaschine sein. "Es betrügt eine Prüfung, wenn Sie mit Ihrem Smartphone im Internet nachsehen", sagt Rao. "Aber was ist, wenn Sie bereits über Ihr Gehirn mit dem Internet verbunden sind?" Das Maß für den Erfolg in der Gesellschaft ist zunehmend, wie schnell wir auf die Informationen zugreifen, sie verarbeiten und sie nutzen, und nicht, wie viel Sie in Ihr eigenes Gedächtnis stecken können. Jetzt machen wir es mit unseren Fingern. Aber stimmt etwas nicht, wenn man nur nachdenkt? “

Oder es könnte Ihr eigenes Gehirn sein, das zu einem bestimmten Zeitpunkt hochgeladen und für den zukünftigen Zugriff digital gespeichert wird. "Nehmen wir an, Sie haben Jahre später einen Schlaganfall", sagt Stocco, dessen eigene Mutter in den Fünfzigern einen Schlaganfall hatte und nie wieder ging. „Jetzt gehst du in die Reha und lernst wieder von vorne. Angenommen, Sie könnten diese Fähigkeit einfach in Ihr Gehirn herunterladen. Höchstwahrscheinlich würde es nicht perfekt funktionieren, aber es wäre ein großer Vorsprung, diese Fähigkeit wiederzugewinnen. “

Miguel Nicolelis, kreativer Neurowissenschaftler und faszinierender Dozent der TED Talks, weiß, wie wichtig eine gute Demonstration ist. Für die WM 2014 baute Nicolelis, ein in Brasilien geborener Fußballfan, zusammen mit anderen ein Roboter-Exoskelett, das von EEG-Impulsen gesteuert wird, damit ein junger querschnittsgelähmter Mann den zeremoniellen ersten Tritt ausführen kann. Ein Großteil seiner Arbeit befasst sich jetzt mit der Kommunikation von Gehirn zu Gehirn, insbesondere mit den hochgradig esoterischen Techniken, mit denen Köpfe verbunden werden, um an einem Problem zusammenzuarbeiten. Der Verstand ist nicht menschlich, deshalb kann er Elektrodenimplantate mit all den Vorteilen verwenden, die sich daraus ergeben.

Eines seiner auffälligsten Experimente betraf ein Paar Laborratten, die zusammen lernten und sich synchron bewegten, während sie über Gehirnsignale kommunizierten. Die Ratten wurden in einem Gehege mit zwei Hebeln und einem Licht darüber trainiert. Das linke oder rechte Licht blinkte und die Ratten lernten, auf den entsprechenden Hebel zu drücken, um eine Belohnung zu erhalten. Dann wurden sie getrennt und mit Elektroden an der motorischen Kortikalis ausgestattet, über Computer verbunden, die Gehirnimpulse von einer Ratte (dem „Encoder“) abfragten und ein Signal an eine zweite (den „Decoder“) sendeten. Die "Encoder" -Ratte würde ein Lichtblinken sehen - sagen wir das linke - und den linken Hebel drücken, um seine Belohnung zu erhalten. In der anderen Box würden beide Lichter blinken, sodass der „Decoder“ nicht wissen würde, welchen Hebel er drücken soll - aber wenn er ein Signal von der ersten Ratte erhält, würde er auch nach links gehen.

Nicolelis fügte dieser Demonstration eine clevere Wendung hinzu. Als die Decoder-Ratte die richtige Wahl traf, wurde er belohnt, und der Encoder erhielt auch eine zweite Belohnung. Dies diente dazu, die (unbewussten) neuronalen Prozesse, die in seinem Gehirn abgetastet wurden, zu verstärken und zu verstärken. Infolgedessen reagierten beide Ratten präziser und schneller - „ein Paar miteinander verbundener Gehirne…, die Informationen übertragen und in Echtzeit zusammenarbeiten.“ In einer anderen Studie verdrahtete er drei Affen, um einen virtuellen Arm zu steuern. Jeder konnte es in einer Dimension bewegen, und als sie einen Bildschirm betrachteten, lernten sie, zusammenzuarbeiten, um es an der richtigen Stelle zu manipulieren. Er kann sich vorstellen, mit dieser Technologie einem Schlaganfallopfer dabei zu helfen, bestimmte Fähigkeiten wiederzugewinnen, indem er sein Gehirn mit dem eines gesunden Freiwilligen vernetzt und die Anteile der Eingaben schrittweise anpasst, bis das Gehirn des Patienten die ganze Arbeit erledigt. Und er glaubt, dass dieses Prinzip auf unbestimmte Zeit ausgedehnt werden könnte, um Millionen von Gehirnen dazu zu bewegen, in einem „biologischen Computer“ zusammenzuarbeiten, der sich mit Fragen befasst, die nicht in binärer Form gestellt oder beantwortet werden konnten. Sie könnten dieses Netzwerk von Gehirnen nach dem Sinn des Lebens fragen - Sie erhalten möglicherweise keine gute Antwort, aber im Gegensatz zu einem digitalen Computer würde „es“ zumindest die Frage verstehen. Gleichzeitig kritisiert Nicolelis die Bemühungen, den Geist in einem digitalen Computer nachzubilden, egal wie mächtig sie auch sein mögen, und sagt, sie seien "Schwindel und eine Verschwendung von Milliarden von Dollar". Das Gehirn arbeitet nach verschiedenen Prinzipien und modelliert die Welt analog . Um dies zu vermitteln, schlägt er ein neues Konzept vor, das er nach dem Mathematiker Kurt Gödel "Gödelsche Information" nennt. Es ist eine analoge Repräsentation der Realität, die nicht auf Bytes reduziert werden kann und niemals von einer Karte der Verbindungen zwischen Neuronen erfasst werden kann („Upload Your Mind“, siehe unten). "Ein Computer erzeugt kein Wissen, führt keine Selbstbeobachtung durch", sagt er. "Der Inhalt eines Gehirns einer Ratte, eines Affen oder eines Menschen ist viel reicher, als wir es jemals durch binäre Prozesse simulieren könnten."

Der neueste Stand dieser Forschung betrifft tatsächliche Gehirnprothesen. An der University of Southern California entwickelt Theodore Berger eine Prothese auf Mikrochip-Basis für den Hippocampus, den Teil des Gehirns von Säugetieren, der kurzfristige Eindrücke in Langzeitgedächtnisse umwandelt. Er greift auf die Neuronen auf der Eingangsseite zu, leitet das Signal durch ein Programm, das die Transformationen nachahmt, die der Hippocampus normalerweise durchführt, und sendet es zurück ins Gehirn. Andere haben Bergers Technik verwendet, um die Erinnerung an ein erlerntes Verhalten von einer Ratte zur nächsten zu senden. Die zweite Ratte erlernte die Aufgabe in viel kürzerer Zeit als gewöhnlich. Diese Arbeit wurde zwar nur an Ratten durchgeführt, aber da die Degeneration des Hippocampus eines der Kennzeichen der Demenz beim Menschen ist, wird das Potenzial dieser Forschung als enorm bezeichnet.

Angesichts der umfassenden Behauptungen über das zukünftige Potenzial der Kommunikation von Gehirn zu Gehirn ist es nützlich, einige der Dinge aufzulisten, die nicht beansprucht werden. Erstens gibt es keine Implikation dafür, dass der Mensch irgendeine Form natürlicher (oder übernatürlicher) Telepathie besitzt; Die Spannungen, die in Ihrem Schädel flackern, sind einfach nicht stark genug, um von einem anderen Gehirn ohne elektronische Verstärkung gelesen zu werden. Weder können Signale (mit irgendeiner Technologie, die wir besitzen oder die wir uns vorstellen) heimlich oder auf Distanz gesendet oder empfangen werden. Die Funktionsweise Ihres Geistes ist sicher, es sei denn, Sie geben jemand anderem den Schlüssel, indem Sie sich einem Implantat oder einem EEG unterziehen. Es ist jedoch nicht zu früh, die ethischen Auswirkungen künftiger Entwicklungen in Betracht zu ziehen, beispielsweise die Fähigkeit, Gedanken in andere Menschen zu implantieren oder deren Verhalten (z. B. Gefangene) mithilfe von für diese Zwecke entwickelten Geräten zu kontrollieren. „Die Technologie übertrifft derzeit den ethischen Diskurs“, sagt Trimper von Emory, „und hier wird es schwierig.“ Bedenken Sie, dass in diesen Experimenten ein Großteil des Gehirnverkehrs stattfindet - und sicherlich alles, was Nicolelis Vision von Hunderten oder Tausenden von Gehirnen entspricht zusammenarbeiten - beinhaltet die Kommunikation über das Internet. Wenn Sie sich jetzt Sorgen machen, dass jemand Ihre Kreditkarteninformationen hackt, wie würden Sie den Inhalt Ihres Verstandes in die Cloud senden? Es gibt jedoch noch einen anderen Weg, auf dem die Kommunikation von Gehirn zu Gehirn untersucht wird. Uri Hasson, ein Neurowissenschaftler aus Princeton, erforscht mithilfe der funktionellen Magnetresonanztomographie, wie ein Gehirn einen anderen beeinflusst und wie sie in einem komplizierten Tanz aus Hinweisen und Rückkopplungsschleifen gekoppelt sind. Er konzentriert sich auf eine Kommunikationstechnik, die EEGs, die er für die transkranielle Magnetstimulation einsetzt, weit überlegen ist, nicht invasiv und sicher ist und keine Internetverbindung erfordert. Es ist natürlich Sprache.