Brain Power - Gehirn steuert Computer

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1 Ausarbeitung zum Fachseminar Brain - Computer Interface Brain Power - Gehirn steuert Computer Esra Burmaoglu esra@aymac.de Fachhochschule Wiesbaden Fachbereich Design Informatik Medien

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3 Der Mensch ist eine in der Knechtschaft Ihrer Organe lebende Intelligenz Aldous Leonard Huxley( )

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5 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 1 2 Grundlagen Das Menschliche Gehirn Stirnlappen (Frontallappen,LobusFrontalis) Parietallappen (Scheitellappen,Lobusparietalis) Schläfenlappen (Tempus,Temporallappen) Hinterhauptlappen (LobusOccipitalis,Occipitallappen) Die Nervenzelle (Neuron) Brain-Computer Interface Wozu Brain-Computer Interface? Evolution der Brain-Computer Interface Schnittstellen Kopf-EMG Unterarm-EMG FES- Interface Retina-Implantat Direkte Interfaces / EEG Tools for Brain-Computer Interaction 10 6 Einsatz 12 7 Zusammenfassung 13 Stichwortverzeichnis 15 Literatur 15

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7 1 1 Einführung Denken, Fühlen, Lernen, Erinnern - das menschliche Gehirn ist Sitz aller mentalen Funktionen. Gleichzeitig ist es eine der komplexesten Strukturen, die von der biologische Evolution hervorgebracht hat. Durch das zusammenarbeiten der Biologen, Mediziner, Psychologen, Physiker, Mathematiker und Informatiker ist es den Forschern gelungen, Mensch und Maschine so zu vereinen, dass eine Schnittstelle entstanden ist, die zum Beispiel einem schwerbehinderten Menschen helfen kann seine motorischen Fähigkeiten wieder zu erlangen. Jedoch ist das was die Forscher über das menschliche Gehirn herausgefunden haben, trotz intensiver Forschung auch noch heute weit davon entfernt, zu verstehen, wodurch das Gehirn seine erstaunliche Leistungsfähigkeit erhält. 2 Grundlagen 2.1 Das Menschliche Gehirn Gehirn: (Cerebrum, Hirn, Enzephalon) Definition 1 Das menschliche Gehirn ist der im Kopf gelegene Teil des Zentralnervensystems. Es wiegt durchschnittlich 1350 g und besitzt mehr als 100 Milliarden Nervenzellen (Neuronen), die mittels elektrischer und chemischer Impulse miteinander interagieren können. Das Gehirn ist durch Schädelknochen geschützt und von Hirnhäuten (Meningen), umgeben. Die einzelnen Gehirnteile sind in Flüssigkeit (Liquor) gelagert und dadurch zusätzlich vor Stößen geschützt. Das Gehirn ist die Steuerzentrale des gesamten Organismus. Es nimmt Sinneswahrnehmungen und Reize auf, verarbeitet sie und löst Reaktionen aus, die den Organismus am Leben erhalten. Die Informationen werden über die Nerven an das Gehirn und vom Gehirn über die Nerven an Organe, Gewebe oder Muskeln mittels elektrochemische Prozesse weitergeleitet. Die meisten Prozesse geschehen jedoch unbewusst, durch Reaktionen des Körpers zur Aufrechthaltung der Vitalfunktionen, die über das vegetative Nervensystem gesteuert werden. Hierbei wird das Gehirn in vier Bereiche unterteilt: Das Großhirn Das Kleinhirn Das Zwischenhirn Der Hirnstamm

8 2 2 GRUNDLAGEN Abbildung 1: Das menschliche Gehirn Stirnlappen (F rontallappen, LobusF rontalis) Die Rinde der Stirnlappen umfasst das prämotorische Gebiet, das mit der Organisation der Bewegungsfunktionen verbunden ist. Folgen von Stirnlappenschäden Störung der Gedächtnisleistung Störung der Aufmerksamkeit Mangelnde Abstimmung auf aktuelle Erfordernisse Ungenügende Regelbachtung und Regelverstöße Intelligenz bleibt erhalten, aber schlussfolgerndes Denken und Klassifikationsleistungen sind schlecht Antriebsstörungen Parietallappen (Scheitellappen, Lobusparietalis) Der Scheitallappen spielt eine wichtige Rolle bei der Integration sensorischer Informationen. Das wird jedoch in mehreren Schichten, in dem Berührung, Druck, Vibration, Temperatur und Schmerzempfindlichkeit abgearbeitet. Der obere Bereich wirkt bei der visuellen Steuerung von Bewegungen und Erkennung von Reizen im betrachter bezogenen Raum. Der untere Bereich ist für das räumliche Denken, Rechnen, Lesen, Satzund Vorstellung Verantwortlich. Folgen von Parietallappenschäden Gerstmann-Syndrom Balint-Syndrom Schläfenlappen (T empus, T emporallappen) Der Schläfenlappen ist eine Gehirnregion, in der Gerüche, Emotionen Höreindrücke und Sprache verarbeitet werden. Hier werden auch Gegenstände, Gesichter und Begriffe erkannt. Außerdem befinden sich dort die Gehirnregionen, die für das Erinnern und Bewertung dieser Sinneseindrücke zuständig sind.

9 2.2 Die Nervenzelle (N euron) 3 Folgen von Schläfenlappenschäden Delirium Zustand der Verwirrung und Konfusion Depression Nebenwirkungen von Alkohol oder Medikamenten Schizophrenie Schläfenlappen-Epilepsie Hinterhauptlappen (LobusOccipitalis, Occipitallappen) Der Hinterhauptlappen ist für das Sehen zuständig und somit das kleinste von den vier Hirnlappen. Die Informationen, die durch das Auge aufgenommen wird, werden verarbeitet und weiter an die anderen Hirnlappen weiter gegeben. 2.2 Die Nervenzelle (Neuron) Eine Nervenzelle oder auch Neuron genannt, ist eine Verbindung im Gehirn, die für die Aufnahme und Wiedergabe von elektrischen bzw. Reizen verschlüsselten Informationen Verantwortlich ist. Sie fungieren als ein verlängerter Arm des Gehirns. Die Struktur eines Neurons lässt sich in drei Abschnitte unterteilen. Der Zellkörper beinhaltet den Zellkern, die Dendrite, die mit feinen verästelten Fortsätzen vom Zellkörper abgehen, dienen der Nervenzelle zum Empfang von Informationen. Das wichtigste Teil einen Neurons ist der Axon. Dies ist ein langer Fortsatz, der Informationen aktiv über große Entfernungen weiterleitet und sowohl verzweigt, als auch unverzweigter Form vorkommt. Der Axon kann bei einem Menschen bis zu mehrere Metern bestehen, die vom Gehirn anfangend, über die Wirbelsäule bis hin zum großen Fußzeh gelangt, um die Nervenbahnen und Muskeln mit Informationen zu versehen. Am Ende des Axons befindet sich die Ausgansgregion, die den zuvor aufgenommenen Reiz an nachfolgende Zellen weiter gibt. Diese Region heißt Synapse. In diesem Bereich legt sich das Ende eines Axons an die Dendriten einer anderen Nervenzelle, um eine Weitergabe von Informationen zu ermöglichen. Ausschlaggebend in diesem System der Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Informationen in den Neuronen sind elektrische Vorgänge. Die Weiterleitung innerhalb des Axons geschieht außerdem nur in eine Richtung, da die Natrium-Kanäle sich nach einem Reiz für wenige Millisekunden nicht öffnen können. Diese Zeit nennt man Refraktärzeit. Am Ende des Axons befindet sich das Endköpfchen, da sich an Dendriten eines anderen Neurons gelegt hat. Zwischen dem Endknopf und dem Dendrit befindet sich ein schmaler mit Flüssigkeit gefüllter Zwischenraum, der so genannte synaptischer Spalt. In der Synapse ist eine Unterteilung in zwei Abschnitte möglich.

10 4 2 GRUNDLAGEN präsynaptischer Teil (Bereich vor dem synaptischen Spalt) postsynaptischer Teil (Bereich nach dem synaptischen Spalt) Charakteristisch für das Ende des Axons sind die synaptischen Bläschen. Sobald in den Bereich des Endköpfchens Calciumionen (Ca+) einströmen, verschmelzen die Bläschen mit der präsynaptischen Membran und setzen Transmitter (Überträgerstoffe) frei, die durch den synaptischen Spalt eindringen und sich vermischen. In Abhängigkeit von der Stärke des Reizes folgt zeitlich auf das Einströmen der Calciumionen eine chemische Bindung bzw. ein Auspumpen, das eine völlige Entleerung aller synaptischen Bläschen verhindert. Nachdem ein Transmitter (Acetylcholin) an einem in der postynaptischen Membran befindlichen Rezeptor bindet, öffnen sich Kanäle, die wiederum Ionen einströmen lassen. Na+ Ionen fließen in das postsynaptische Neuron und depolarisieren dieses. Der Reiz einer erregenden Synapse wird dann in der postsynaptischen Zelle von einem digitalen in ein analoges Signal gewandelt. Dieses Signal wird im Falle der erregenden Synapse und im Falle der hemmenden Synapse genannt. Im Soma, dem Zellkörper, wird schließlich das Signal durch Flüssigkeiten weitergegeben. Ist es stark genug und überschreiten am Axonhügel den auslösenden Grenzwert, entsteht ein Aktionspotential. Abbildung 2: Neuron

11 5 Abbildung 3: Synaptischer Spalt 3 Brain-Computer Interface Maschinen mit Gedanken zu steuern, ist eine Menschheitsvision, die durch die Forschung über Brain-Computer Interface(BCI) in greifbare Nähe gerückt ist. Forscher gelang es, mittels derartiger Mensch-Maschine-Schnittstellen einigen vollständig gelähmten Patienten eine neuartige Möglichkeit zur Kommunikation zu eröffnen in Form von Textverarbeitungssystemen oder vollständige Wiederherstellung von Extremitäten, die allein durch die Kraft der Gedanken gesteuert werden können. Zumeist beruhen derartige Erfolge von BCI Systemen dabei auf dem Ansatz, dass die Nutzer in längeren Trainingsphasen die Benutzung der neuen Schnittstelle erlernen. Hierbei lernt der Nutzer nicht wie er die Maschine ansprechen muss, sondern wie die Maschine die Hirnsignale des Nutzers zu interpretieren hat. Dahinter steckt die algorithmische Technologie des Maschinellen Lernens, die es ermöglicht, aus den hochdimensionalen Hirnsignalmerkmalen die relevante Information zu extrahieren. 3.1 Wozu Brain-Computer Interface? Einen Computer an einen Menschen anzuschließen und umgekehrt kann den unterschiedlichsten, mehr oder weniger nützlichen oder aber faszinierenden Zwecken dienen. Allgemeines Ziel jedoch ist es, die Verbindung zwischen Mensch und Maschine zu perfektionieren, um das Leben und Erleben des Menschen zu verbessern und zu erweitern. Damit schwerbehinderte Menschen alltägliche Dinge wie z.b. Wäsche waschen, Kochen, Einkaufen, Autofahren oder auch Arbeiten können, muss BCI weiterentwickelt und weiter erforscht werden. So leicht und machbar dieser Gedanke auch ist, Mensch und Maschine zu verbinden, leider sind die Schnittstellen nicht so ohne weiteres miteinander kompatibel. Deshalb befassen sich derzeit verschiedene über den Globus verstreute Forschergruppen mit der Frage, wie diese beiden Formate zueinander kompatibel werden könnten. Doch dazu werde ich in den nächsten Kapiteln berichten, und eine Forschergruppe vorstellen.

12 6 3 BRAIN-COMPUTER INTERFACE Evolution der Brain-Computer Interface Wie zuerst das Rad erfunden war, danach das Fahrrad, später dann das Auto, so richtet sich die Reihenfolge nach der technischen Entwicklungsstufe der BCI. Die Verschmelzung von Mensch und Maschine beginnt nicht zuerst mit der BCI-Forschung. Sie ist im Gegenteil die logische Konsequenz einer Fähigkeit, die den Menschen seit jeher auszeichnet, und mit Hilfe optimal an die vorherrschenden Lebensbedingungen anpassen zu können. Für den Menschen war zunächst die Fähigkeiten Kleider mit denen sie sich vor Umwelteinflüssen schützen kann. Das Rad war für den Menschen eine Hilfe dafür, Autos oder Eisenbahnen zu entwickeln. Die Lesebrille gehörte auch zu den wichtigsten Apparaten, die verlorengegangene Fähigkeiten wieder zurück zu gewinnen. Diese Beispiele zeigen, dass der Gebrauch von Apparaten und Maschinen zur Verbesserung der Lebensumstände des Menschen längst gang und gäbe ist. Es ist sogar selbstverständlich, dass auf den ersten Blick verborgen bleibt, was bei näherer Betrachtung offensichtlich ist, dass die Verschmelzung von Mensch und Maschine schon längst begonnen hat. Doch die ultimative Maschine, die der Mensch geschaffen hat, ist der Computer, was aber wie die meisten Maschinen zunächst nur ein Werkzeug ist. Trotzdem schafft man es den Computer so zu gestalten, dass die Schnittstelle zum Menschen möglichst keine Reibungsverluste in der Kommunikation verursacht. Die nächste Stufe der Brain-Computer Interface Evolution besteht darin, dem Computer das Sprechen und das Hören beizubringen. Aktuelle Computer sind sogar in der Lage, gesprochene Sprache zu verstehen und selber zu sprechen. Zunächst hat man den Computern das Synthetisieren von Sprache beigebracht, denn das ist softwaretechnisch noch relativ leicht zu bewerkstelligen. Erst in den vergangenen Jahren jedoch wurde im Bereich der Spracherkennung ein Niveau erreicht, die langsam in den Bereich des Brauchbaren kommt. Sprachinterfaces erfüllen folgende Funktionen: Sprachausgabe Texte von Webseiten, PDF-Dokumente, Dialogfelder und Menüs. Diese werden vom Computer durch eine vorprogrammierte Stimme vorgelesen. Spracheingabe I Der Benutzer kann dem Computer natürlichsprachliche Anweisungen geben. Dabei kommt nur ein begrenzter Wortschatz zum Einsatz, mit Ausdrücken wie Starte Word oder Schließe Fenster. Spracheingabe II Der Benutzer kann zusätzlich zur Steuerung des Computers mittels fest vorgegebener Anweisung auch freie Texte diktieren, z.b. in einer Textverarbeitung. Hier kommt es sehr auf die Sprechweise des Benutzers an. Ohne ein mehrstündiges Training sind keine brauchbaren Ergebnisse zu erzielen, weil sonst die Fehlerrate zu groß ist. Diese Funktionen werden heute dort eingesetzt, wo Bildschirm und Tastatur nicht benutzt werden können, z.b. als Benutzerschnittstellen für Blinde. Speziell im Bereich der Rehabilitation von Tetraplegikern oder und anderen Menschen mit eingeschränkter Beweglichkeit kommen Systeme zum Einsatz, welche die verbleibende Beweglichkeit nutzen, um einen Computer bedienen zu können. Diese BCIs wer-

13 3.1 Wozu Brain-Computer Interface? 7 den nicht direkt an das Zentrale Nervensystem angeschlossen, und deshalb als sekundäre BCIs bezeichnet. Tonguepoint Das Tonguepoint-System (Salem & Zhai, 1997) basiert auf einem gewöhnlichen Trackpoint, wie er als Zeigegerät in vielen Notebooks zum Einsatz kommt. Es handelt sich um einen Miniaturjoystick, der in zwei Dimensionen bewegt werden kann und mit dem sich etwa ein Mauscursor auf dem Bildschirm dirigieren lässt. Der Trackpoint wurde so modifiziert, daß er sich durch Zungenbewegungen bedienen lässt. Dazu bedient sich der Patient eines Mundstücks, auf dem der Trackpoint sitzt. So lassen sich Menübefehle, Buchstaben oder Schaltflächen auf dem Bildschirm selektieren. Im Tonguepoint ist ein Mikroschalter integriert, die durch das Beißen auf das Mundstück ein Mausklick auslöst. Abbildung 4: Ein Tonguepoint auf dem ein Trackpoint befestigt worden ist. Dies gilt als Mausersatz um den Computer für den eingeschränkten Menschen Bedienbar zu machen. Headmouse Dieses Produkt ermöglicht den Patienten, die ihre Halsmuskulatur noch verwenden können, einen Computer zu bedienen. Optische Sensoren registrieren die Kopfbewegungen. Dazu werden am Kopf Signalmarkierungen aufgeklebt, welche von Videokameras verfolgt werden können. Diese Informationen werden an den Computer übermittelt und dort in Vektoren überführt, welche schließlich den Mauszeiger steuern. Der Mausklick wird durch Verweilen an einem Ort generiert.

14 8 4 SCHNITTSTELLEN Abbildung 5: Über die Videokamera wird die Kopfbewegung erfasst. Damit kann der Mensch den Mauskursor steuern. Die oben genannten BCIs sind Geräte, welche für Patienten äußerst wertvoll sein können. Jedoch ist hier die Voraussetzung, daß diese noch über ein Mindestmaß an verbleibender Beweglichkeit verfügen, und eignen sich daher nicht für Menschen mit schweren Locked-In-Syndrom. 4 Schnittstellen Während in den letzten Kapiteln das menschliche Gehirn und BCIs vorgestellt wurde, wenden wir uns an den komplizierteren, aber auch spannenden Varianten zu. Der Ort, an dem der Kontakt zwischen Zentralem Nervensystem und Computer zustande kommt, liegt direkt auf der Körperoberfläche oder direkt im Körper drin. Die einfachste Variante eines Interfaces besteht aus der Elektromyographie mittels Scheibenelektroden, die man auf die Haut anbringt. Dabei werden Aktionspotentiale der unter der Haut liegenden querstreifen Muskulatur registriert, verstärkt und an die serielle Schnittstelle eines Computers weitergeleitet. 4.1 Kopf-EMG Für den klinischen Einsatz wird der Kopf-EMG sehr häufig eingesetzt. Am Kopf werden die Elektroden angebracht, wo die Gehirnströme gemessen werden, und in ein separates Digital Processing-Board (DSP) übertragen, welches daraus das Äquivalent zu den Signalen einer herkömmlichen seriellen Computermaus berechnet. Der Nachteil einer Kopf-EMG ist natürlich, das tranieren der Kopfmuskulatur, die für die Kontrolle der Anweisungen und auch Benutzung der Gedanken die Steuerung erschwert. Aufgrund der zeitintensiven Berechnungen, die aus dem EMG die Kontrollimpulse herausfiltern, dauert es durchschnittlich 16 Sekunden, bis ein Cursor über den Bildschirm bewegt und eine Anweisung ausführen kann. Dies zählt zusätzlich zu den großen Nachteilen der Kopf-EMG.

15 4.2 Unterarm-EMG 9 Abbildung 6: Kopf-EMG 4.2 Unterarm-EMG Am Unterarm werden Elektroden angebracht, die die elektrischen Potentiale durch die Muskelbewegung erfassen und diese über den Verstärker zum Computer weiterleiten. Der Unterarm-EMG wird für beispielhafte Szenarien zum steuern für Flugzeuge oder Raumschiffe eingesetzt. Die übergebenen Signale werden im Computer in Steuerimpulse für die simulierten Fluggeräte übersetzt. 4.3 FES- Interface Hierbei handelt sich um ein Verfahren, das sich seit den sechziger Jahren im klinischen Einsatz bewährt hat. Prinzipiell geht es darum, Bewegungsfunktionen der Gliedmaßen wiederherszustellen. Krankheiten oder Verletzungen, welche Lähmungen zur Folge haben, schädigen ja oft nicht die Effektorgane, sondern lediglich die zu Ihnen führenden Nervenleitungen. Die Muskulatur selber bleibt intakt und kann mittels Funktionaler Elektrischer Stimulation einen Teil der Funktionalität wieder zurück erhalten. Auf dem noch funktionsfähigen Muskel, der nicht mehr kontrolliert werden kann, werden Elektroden auf die Hautoberfläche oder als Implantat angebracht. über die Elektroden werden elektrische Impulse an den Muskel gesendet, worauf sich dieser kontrahiert. Um jedoch diese Impulse steuern zu können, werden in einigen FES-Systemen Sensoren auf einem noch beweglichen Körperteil installiert. Beispielweise kann man die Sensoren an die Brust anbringen, oder auch implantieren. Mittels feiner Bewegungen des Patienten löst dieser die Sensoren aus, worauf sie das Signal zur Kontraktion an die Elektroden auf dem Effektormuskel übermitteln. FES-Systeme werden meistens in Teilprothesen eingesetzt, welche bei Schlaganfall-Patienten häufig auftretenden Stolperschritt behebt. Hierbei wird im Kniebereich ein Sensor, die die Beugung des Gelenks registriert. Ist sie groß genug, wird ein Signal an eine Elektrode über die Wade ausgesendet, woraufhin sich der Fuß anwinkelt und die Stolper- und Sturzgefahr reduziert. 4.4 Retina-Implantat Das Retina-Implantat besteht aus einen ca. 3 mm großen Mikrochip der einen Durchmesser von ca.50µm Dicke, in dem ungefähr Pixelfelder angeordnet sind. Jedem

16 10 5 TOOLS FOR BRAIN-COMPUTER INTERACTION Pixelfeld sind zwei Photozellen, eine Verstärkerschaltung und eine Stimulationselektrode zugeordnet. Sobald Licht in das Auge einfällt, nimmt jeder diese Photozelle das Licht auf und wandelt es in elektrische Energie um. Diese Energie steuert dann die von außen zugeführte Energie, die dazu verwendet wird die intakten Nervenzellen in der Netzhaut elektrisch zu reizen. Die Nervenimpulse dieser Zellen werden über den Sehnerv ins Gehirn weitergeleitet und führen dort schließlich zu Seheindrücken. Abbildung 7: Retina Implantat 4.5 Direkte Interfaces / EEG Unter dem Wort direkten Gehirn-Computer-Schnittstelle versteht man, dass man einen Computer über Muskeln oder Nerven direkt mit dem zentralen Nervensystem verbinden will. Einige Gehirn-Computer-Schnittstellen basieren auf visuell evozierten Potenatialen (VEP). Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass der großflächige und dicht unter der Schädeldecke liegende visuelle Cortex auf Reize, die ihn aus dem Auge kommend erreichen, mit einer leicht messbaren elektrischen Reaktionen antwortet. Es werden dazu Elektroden auf dem Hinterkopf über dem visuellen Cortex angebracht, sowie zwei zusätzliche je am Ohrläppchen und auf der Stirn die als Referenz und zur Erdung gilt. Durch den vor die Versuchsperson gebrachten Monitor wird ein Schachbrettmuster angezeigt, wo die Flächen sich nur zwischen Schwarz und Weiß abwechselnd schalten. Jedesmal wenn sich das Schachbrettmuster verändert, erzeugt das visuelle System ein VEP, welches über die installierte Elektrode abgeleitet und in einem Computer ausgewertet werden kann. 5 Tools for Brain-Computer Interaction Die TOBI-Partner In den Bereichen Mensch-Computer Interaktion, intelligenten Robotik und der angewandten assistiven Technologien führen die fünf weltweit besten BCI-Gruppen sowie führende europäischen Zentren zusammen mit Rehabilitationsklinken und komerziellen Anbietern von technischen Hilfsmittel den Erfolg von TOBI. Die Universität Tübingen ist in diesem Projekt durch das Institut für Medizinische Psychologie und Verhaltensneurologie vertreten. Für die Bereiche der Psychologie I, wo Experimente zur emotionalen Wahrnehmung und Verarbeitung ist die Universität Würzburg Verantwortlich. Die Räumlichkeiten sind mit zwei Laboren für virtuelle Welten mit Head-Mounted-Displays und -Tracking-Systemen und einer Bewegungsplattform ausgestattet. Das maschinelle Lernen der TU Berlin ist mit dem Erkennen von

17 11 Zusammenhängen in Daten, wenn sich für diese keine einfachen Modellsätze finden lassen beschäftigt. Deshalb wird intelligente Algorithmen zur Analyse und Verarbeitung komplexer Datenmengen von dieser Gruppe entwickelt. Die Stiftung Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg ist eines der ältesten neuroorthopädischen Zentren in Deutschland. Diese spezialisiert sich auf die Akutversorgung und umfassende Rehabilitation von Patienten mit Rückenmarksverletzungen. Einer der größten medizinischen Einrichtungen in Rheinland Pfalz liegt die Beratungsstelle für Unterstützte Kommunikation als ein Teil der Kreuznacher Diakonie. Für die ambulante Betreuung von Patienten ist die BUK seit 1994 zuständig die sich mit als Schwerpunkt den Bereich sozialer und medizinischer Rehabilitation beschäftigt. TOBI gilt als ein großes, EU-weites Projekt, das die Weiterentwicklung praxisnaher Technologien der BCI zum Ziel hat. Mit diesem Projekt soll die Lebensqualität von behinderten Menschen und die Wirksamkeit der Rehabilitation verbessert werden. Deswegen hat sich das Konsortium vier Bereiche ausgewählt, in denen die Anwendungen eines BCIs für Menschen mit motorischen Einschränkungen einen Vorteil bringen wird. Kommunikation und Steuerung Motorischer Einsatz Unterhaltung Motorischer Wiederherstellung Kommunikation und Steuerung In diesem Bereich ist das Ziel, die Kommunikationsfähigkeit zu verbessern, indem man körperlich Behinderten Menschen Zugang zu Geräten wie Tastatur, Internet, Telefon, , Fax, SMS zu gestatten. In TOBI sollen passende und komfortabel zu bedienende Benutzerschnittstellen erarbeitet werden, ohne die Komplexität der BCI-Steuersignale außer Acht zu lassen. Die Schnittstellen werden sichtbare, hörbare und fühlbare Rückmeldung kombinieren und so die Interaktion verbessern. Motorischer Ersatz Unter motorischen Ersatz versteht man die Wiederherstellung von verlorenen motorischen Funktionen der Extremitäten. Es soll dem Menschen die körperlich eingeschränkt sind, mit einer sogenannten Orthese die Bewegung wiederherstellen können. Diese Orthesen sollen mit einer intergrierten Stimulationselektroden entwickelt werden, die das Greifen der Hand und das Biegen des Ellenbogens (Erreichen) wieder herstellt. Zudem soll ein gedankengesteuerter Roboter gebaut werden, der mit einer Kamera und einem Bildschirm ausgestattet ist, so dass der Nutzer Freunde und Verwandte besuchen und an deren Aktivitäten ohne Einschränkungen teilnehmen kann. Unterhaltung Ein BCI sollte einen körperlich behinderten Menschen auch die Möglichkeit bieten, mit Unterhaltungsmedien zu navigieren, und somit sich auch an der Außenwelt etwas mit wirken. Es werden Techniken zur Foto- und Musiknavigation und -Auswahl entwickelt und evaluiert. Weiterhin wird untersucht, wie ein BCI am besten Sozialen Netzwerk-Anwendungen wie Skype und Facebook verbunden werden kann. Eine weitere wichtige Funktion der Unterhaltung dient der BCI Spiele. Es soll dem Nutzer für Spaß und gleichzeitig auch für Trainingszwecke dienen.

18 12 6 EINSATZ Motorische Wiederherstellung Normalerweise wird BCI bei teilweise oder kompletter Lähmung der Muskulatur eines Menschens eingesetzt, denn da das BCI als ein Steuerungssystem angesehen wird, weil man mit ihm Hilfsmittel für den Ersatz verloren gegangener Funktionen bedient werden können. 6 Einsatz Weltweit wurde BCI an sieben Menschen eingesetzt, und führte zu großen erfolgen. In Europa wurde dies an den Österreicher Christian Kandlbauer implantiert. Somit gehört er zu den ersten Europäer und einer der Sieben Weltweit BCI gesteuerten Patienten. Christian Kandlbauer hatte mit 17 Jahren einen schweren Unfall, wodurch er beide Arme verlor. Der eine Arm wurde bis zur oberen Schulterhälfte amputiert, wo hingegen der andere Arm vollständig verletzt und dementsprechend komplett mit der Schulter entfernt werden musste. Somit konnte man an diesem Arm keine gewöhnliche Prothese einsetzen, da die Nervenenden an der Schulter nicht mehr existierten. Christian K. wurden die restlichen noch funktionierenden Nervenenden an der Schulter entfernt, und diese an das Haupt-Nervensystem angebracht. Danach wurden ihn Sensoren direkt an dieses Nervensystem in die Brust implantiert, die mit der angebrachten Prothese verbunden ist. Sobald Christian K. daran denkt, nach etwas greifen zu müssen, steuern die Impulse von seinem Gehirn an die Nervenenden, die dann vom Sensor aufgefangen, in Steuerelemente umgewandelt, und diese dann an die Prothese weiter übermittelt werden. Sind diese Befehle an der Prothese angekommen, fangen die Finger an zu greifen, die Hand sich zu bewegen, und der Ellenbogen sich zu beugen. Somit arbeitet die Prothese fast so, wie ein gewöhnlich gesunder Arm, wo jedoch monatelanger Trainingsaufwand benötigt wird. Christian K. ist heute in der Lage wieder Auto zu fahren und seiner beruflichen Tätigkeit als KFZ-Mechaniker zu folgen. Er kann wie ein gesunder Mensch der beide Arme besitzt, Einkaufen fahren, sich ohne fremde Hilfe anziehen, und im Alltag alle anfallenden Arbeiten Selbstständig meistern. Abbildung 8: Christian Kandlbauer. Mit 17 Jahren verlor er beide Arme bei einem schweren Unfall. Mit 22 Jahren bekam er als Erster Europäer eine BCI gestuerte Prothese.

19 13 7 Zusammenfassung Wir haben einiges über die Beziehung zwischen Mensch und Computer gelernt. Die Faszinierung hierbei liegt an den Forschern, die nicht nur eine Lösung gefunden, sondern verschiedene Wege zu einer einzigen Lösung entwickelt und diese auch eingesetzt haben. Natürlich ist das erst der Anfang eines BCI, die aber trotz alldem sehr stark erforscht und entwickelt wird, und das mit großen Erfolgschancen. Es ist faszinierend sehen zu können, wie sich die Wissenschaft und die Beziehung zwischen Mensch und Maschine weiter stark wächst. Noch vor einigen Jahren, war es nicht denkbar gewesen, dass ein Mensch es schaffen würde, den Computer allein durch Gedanken steuern zu können. In den 90er Jahren waren diese Ideen und Anregungen noch als Science Fiction in den Kinos zu bestaunen. Nun setzen die Forscher und Mediziner, diese tatsächlich bei dem Menschen ein. Trotzdem ist der Technik vorerst noch Grenzen gesetzt, der Fantasie hingegen nicht. Dank der Forschungen zum Thema BCI wird es vielleicht einmal möglich sein, menschliches Bewusstsein in den Computer zu überspielen. Zugegebenermaßen sind wir davon noch weit entfernt.

20 14 7 ZUSAMMENFASSUNG Ende

21 Literatur [ABS] Das menschliche Gehirn. [BBC] Berlin Brain-Computer Interface: [EUP] EU-Projekt Tools for Brain-Computer Interaction (TOBI)Ëthisches Teilprojekt: Theoretische, anthropologische und ethische Fragen direkter Gehirn- Computer-Interaktion. [MPU] Die TOBI-Partner. [NFA] Nebenfacharbeit in Neurophysiologie (2. Nebenfach) Philosophische Fakultät der Universität Zürich. [TOB] TOBI : Tools for Brain-Computer Interaction.