Brain-Computer-Interface

Ein Brain-Computer-Interface (BCI), auch Brain-Machine-Interface (BMI), deutsch Gehirn-Computer-Schnittstelle (manchmal auch Hirn-Maschine-Schnittstelle, Rechner-Hirn-Schnittstelle), ist eine spezielle Mensch-Maschine-Schnittstelle, die ohne Aktivierung des peripheren Nervensystems, wie z.B. die 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 implantierter Elektroden) oder die hämodynamische Aktivität des Gehirns gemessen (mittels fMRI oder NIRS) und mit Hilfe von Rechnern analysiert (Mustererkennung) und in Steuersignale umgewandelt. Das BCI stellt eine Anwendung der Neurotechnik dar.

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).

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 die zum Sprechen nötige Muskulatur nicht 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 Wolpaw, Elizabeth Winter Wolpaw (Hrsg): Brain-Computer Interfaces: Principles and Practice. Oxford Univ. Press, ISBN 978-0-19-538885-5, 2012.
• 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.
• Michael Tangermann: Eine Übersicht gängiger Brain-Computer-Interface-Paradigmen für Elektroenzephalogramm- und Magnetenzephalogramm-Messungen. In (Karl-Heinz Pantke, Hrsg): Mensch und Maschine. Wie Brain-Computer-Interfaces und andere Innovationen gelähmten Menschen kommunizieren helfen, S. 21-38. Mabuse Verlag, ISBN 978-3-940529-59-6, 2010.

Weblinks

• Future BNCI (Internationale BCI-Plattform)
• Graz Brain-Computer Interface (Gert Pfurtscheller, Christa Neuper)
• Berlin Brain-Computer Interface (Klaus-Robert Müller)
• Interview mit Prof. Gabriel Curio (Charité): Berlin Brain-Computer Interface, Weiterentwicklung, Risiken im Fall eines militärischen Einsatzes
• Tübinger Brain-Computer Interface (Niels Birbaumer)
• Brain Machine Interfacing Initiative (Uni Freiburg)
• Team PhyPA, Berlin (Thorsten Zander)
• Nature über BCI
• DECODER Project - BCI and Detection of Consciousness (FP7 European - University of Würzburg)