Brain-Computer Interface

Ein Brain-Computer-Interface (BCI), auch Brain-Machine-Interface (BMI), deutsch Gehirn-Computer-Schnittstelle (manchmal auch Hirn-Maschine-Schnittstelle), ist eine spezielle Mensch-Maschine-Schnittstelle, die ohne Nutzung der Extremitäten eine Verbindung zwischen dem Gehirn und einem Computer ermöglicht. Dazu wird entweder die elektrische Aktivität aufgezeichnet (nichtinvasiv meistens mittels EEG oder invasiv mittels implantierten Elektroden) oder die hämodynamische Aktivität des Gehirns gemessen (mittels fMRI oder NIRS) und mit Hilfe von Rechnern analysiert (Mustererkennung) und in Steuersignale umgewandelt.

Allgemeines

Schema eines Brain-Computer-Interfaces

Brain-Computer Interfaces basieren auf der Beobachtung, dass schon die Vorstellung eines Verhaltens messbare Veränderungen der elektrischen Hirnaktivität auslöst. Beispielsweise führt die Vorstellung, eine Hand oder einen Fuß zu bewegen, zur Aktivierung des motorischen Kortex. In einem Trainingsprozess lernt das Brain-Computer-Interface (also sowohl der Rechner als auch der Mensch), welche Veränderungen der Hirnaktivität mit bestimmten Vorstellungen korreliert sind. Diese Information kann dann in Steuersignale für diverse Anwendungen umgewandelt werden. Ein Beispiel für ein einfaches Brain-Computer-Interface ist eine Auswahl aus zwei Alternativen, indem der Benutzer sich vorstellt, entweder die linke Hand oder aber den rechten Fuß zu bewegen.

Die Kommunikation zwischen Mensch und Maschine ist bei allen bislang entwickelten Brain-Computer Interfaces nur in einer Richtung möglich. So lernt der Mensch zwar, dem Rechner Kraft seiner Gedanken etwas mitzuteilen, die Antwort des Computers wird bislang jedoch ausschließlich über die normalen Sinnessysteme des Organismus vermittelt (etwa Bilder, Töne, oder elektrische Reizung der Haut). Genaugenommen handelt es sich also nicht um eine echte Schnittstelle, sondern lediglich um einen Ausleseapparat.

Anwendungsbeispiele

Die wichtigste Anwendung finden Brain-Computer-Interfaces in der Unterstützung körperlich behinderter Menschen. In Verbindung mit einer Buchstabiermaschine können sie etwa Menschen mit einem Locked-In-Syndrom, die weder die zum Sprechen nötige Muskulatur noch die Augen bewegen können, eine Kommunikation mit der Außenwelt ermöglichen.

Brain-Computer Interfaces sollen auch dazu dienen, die Mobilität von Behinderten zu erhöhen. Ziel sind hierbei von Nervenimpulsen gesteuerte Prothesen, die echten Gliedmaßen immer näher kommen.

Die Zahl der Befehle, die ein Brain-Computer-Interface zuverlässig unterscheiden kann, hängt wesentlich von der Qualität des EEGs ab. Messungen auf der Kopfhaut haben prinzipiell nur eine sehr eingeschränkte Genauigkeit. Die Entwicklung von Elektroden, die langfristig implantiert bleiben können, ist daher aktueller Forschungsgegenstand.

Literatur

• Jonathan R. Wolpaw, Niels Birbaumer, Dennis J. McFarland, Gert Pfurtscheller, Theresa M. Vaughan: Brain-computer interfaces for communication and control. In: Clinical Neurophysiology, Nr. 113, 2002, S. 767–791.
• Miguel Nicolelis: Actions from thoughts. In: Nature, Nr. 409, 2001, S. 403–407.
• L.R. Hochberg et al.: Neuronal ensemble control of prosthetic devices by a human with tetraplegia. In: Nature, Nr. 442, 2006, S. 164–171.
• Christa Maar, Ernst Pöppel, Thomas Christaller (Hrsg.). Die Technik auf dem Weg zur Seele. Forschungen an der Schnittstelle Gehirn/Computer. Rowohlt Taschenbuch Verlag, Reinbek bei Hamburg 1996, ISBN 3-499-60133-8.

Weblinks

• BCI-Info.org (Internationale BCI-Plattform)
• Berlin Brain-Computer Interface (Klaus-Robert Müller)
• Graz Brain-Computer Interface (Gert Pfurtscheller)
• Tübinger Brain-Computer Interface (Niels Birbaumer)
• Brain Machine Interfacing Initiative (Uni Freiburg)
• Team PhyPA, Berlin (Thorsten Zander)
• Nature über BCI
• Sammlung von EEG-Datensätzen für BCI-Analysen