Was sind Gehirn-Maschine-Schnittstellen und wie funktionieren sie?

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Die einfachste Schnittstelle zwischen Gehirn und Maschine oder zumindest die, die wir am einfachsten verwenden können, ist die menschliche Hand. Wir haben praktisch alle Computer um die Eingabe herum strukturiert, die mit unseren Händen und jetzt in geringerem Maße mit unseren Stimmen erzeugt werden kann. Aber die Hände und Stimmen sind begrenzt. Gesprochene oder getippte Wörter sind nur Darstellungen unserer tatsächlichen Absichten, und die Praxis, das Mauszeigerbild innerhalb eines simulierten physischen Raums zu bewegen, schafft eine noch stärkere Abstraktion zwischen dem Benutzer und dem Programm. Das Übersetzen unserer Gedanken in Befehle im Computerstil und das anschließende physische Eingeben dieser Befehle ist ein langsamer Prozess, der Zeit und Aufmerksamkeit von der eigentlichen Aufgabe nimmt.

Was aber, wenn eine direktere Form der Schnittstelle zwischen Gehirn und Maschine den Informationsengpass vergrößern könnte, indem Befehle nicht über Nerven und Muskeln aus Fleisch, sondern über Kabel und Halbleiter aus Metall gesendet werden? Dann hätten Sie einen großartigen zukünftigen Weg für die Medizin und höchstwahrscheinlich auch für Personal Computing.

Bionische Treppen steigen

Zac Vawter steigt einige Stufen für die Wissenschaft hinauf.

Es gibt zwei grundlegende Arten der Interaktion zwischen dem Gehirn und einer Maschine: Information im, und Information draußen. Die Informationen haben normalerweise die Form eines künstlichen oder erweiterten Sinnesorgans, das seine Signale direkt an das Nervensystem sendet, z. B. ein Auge oder ein Cochlea-Implantat. Bei der Informationsausgabe, beispielsweise beim Steuern eines bionischen Arm- oder Mauszeigers mit reinem Denken, werden Signale im Nervensystem gelesen und zu einem Computersystem transportiert. Fortgeschrittenere Geräte wie die Erkennung bionischer Gliedmaßen enthalten Pfade in beide Richtungen.

Es ist wichtig, zwischen Geräten zu unterscheiden, die neuronale Signale lesen und / oder erzeugen. im Gehirnund diejenigen, die neuronale Signale im Nervensystem erzeugen und es dem Nervensystem dann ermöglichen, diese Signale auf natürliche Weise selbstständig an das Gehirn zu übertragen. Beide Ansätze haben Vor- und Nachteile.

Bionische HandUm den Unterschied zu verstehen, nehmen Sie das Thema einer gedankengesteuerten Armprothese. Fast alle frühen bionischen Überwachungsgeräte umfassten die chirurgische Implantation von Elektroden auf der Oberfläche des Gehirns und die Verwendung dieser Elektroden zum Lesen und Aufzeichnen der Gehirnaktivität. Durch Aufzeichnen der Aktivität, die mit den unterschiedlichsten Gedanken verbunden ist („Denken Sie daran, den Mauszeiger nach oben und links zu bewegen!“), Können Wissenschaftler einem Computer beibringen, unterschiedliche Wünsche zu erkennen und den entsprechenden Befehl auszuführen. Dies kann für die neuronale Steuerungstechnologie äußerst herausfordernd sein, da unser interessierender Computerbefehl natürlich nur einen kleinen Bruchteil des allgemeinen Sturms neuronaler Aktivität ausmacht, der sich zu einem bestimmten Zeitpunkt im gesamten Gehirn entfaltet.

Dieser Computeridentifizierungsprozess ist im Grunde auch ein Versuch, etwas viel, viel Älteres als das Rad neu zu erfinden. Die Evolution schuf neuronale Strukturen, die auf natürliche Weise die komplexen und chaotischen Anweisungen des Gehirns überarbeiten und relativ einfache Befehle erzeugen, die von Motoneuronen übertragen werden können. Umgekehrt haben wir auch Strukturen, die die von unseren Sinnesorganen erzeugten Signale auf natürliche Weise in unsere nuancierte subjektive Erfahrung umwandeln.

Es stellt sich heraus, dass es nicht immer der effizienteste Weg ist, einen Computer zu bitten, diesen Gehirn-Screening-Prozess neu zu lernen. Oft können wir den Körper dazu bringen, seine schwersten Aufgaben für uns zu erledigen, was die tatsächliche neuronale Kontrolle einfacher und präziser macht.

Gehirnmaschine 3

In Nervenprothesen gibt es eine Idee, die als gerichtete Muskelreinnervation bezeichnet wird. Dies ermöglicht es Wissenschaftlern in einigen Situationen, ein beschädigtes Muskelfragment in der Nähe der Amputationsstelle zu erhalten und diesen Muskel zu verwenden, um ansonsten nutzlose Nerven am Leben zu erhalten. Bei einem Amputierten gehen diese Nerven natürlich nirgendwo hin, aber wenn sie gesund bleiben, empfangen sie weiterhin Signale, die für das fehlende Phantomglied bestimmt sind. Diese Signale wurden, wie bereits erwähnt, bereits aus dem größten Sturm der Gehirnaktivität destilliert, und dieses Signal ist, da es im Motoneuron im Arm gut getrennt ist, viel leichter abzulesen. Und da der Benutzer einen Motorbefehl auf genau denselben Nervenbahnen wie vor seiner Amputation sendet, wird der Interaktion kann sofort natürlich sein und ohne signifikante Lernkurve.

bionisch 4Diese Idee, dass wir nicht über das Gehirn selbst, sondern über einen Kontaktpunkt irgendwo anders im Nervensystem mit dem Gehirn interagieren, funktioniert für die Eingabetechnologie genauso gut. Die meisten Sehhilfen senden Signale an den Sehnerv, und von dort gelangen künstliche Signale wie normale in das Gehirn. Sie vermeiden die Schwierigkeit, nur bestimmte Neuronen im Gehirn zuverlässig zu stimulieren, und verwenden erneut die eigenen Signalübertragungsprozesse des Gehirns, um dieses Ziel zu erreichen.

Natürlich ist die Strategie, das Nervensystem zu unserem Vorteil zu nutzen, durch das begrenzt, was die Natur beschlossen hat, dass wir dazu in der Lage sein sollten. Es wird wahrscheinlich immer einfacher und effektiver sein, vorab getrennte Muskelsignale zur Steuerung von Muskelersatzprothesen zu verwenden, aber wir haben noch keinen Mauszeiger-Steuerkern in unserem Gehirn eingebaut, zumindest noch nicht. Wenn wir komplexe Gedanken oder völlig neue Formen der Kontrolle aus dem Gehirn herausholen wollen, müssen wir schließlich zur Quelle gehen.

Das direkte Lesen und Kontrollieren des Gehirns hat unglaubliche Fortschritte gemacht, von hochentwickelten injizierbaren Neuronetzen bis hin zu genetisch induzierten optogenen Lösungen, die Neuronen dazu zwingen können, als Reaktion auf Lichtstimulation zu feuern. Die Lösungen werden invasiver und weniger und zerfallen in eine Gruppe mit super hoher Wiedergabetreue für letztendlich unpraktische Designs und eine Gruppe mit weniger Wiedergabetreue, aber realistischeren Lösungen auf der Kopfhaut. Mit Elektroden besetzte Kappen sehen möglicherweise nicht gut aus, aber Sie können sie trotzdem tragen, nicht zu weit in der Zukunft.

Auf lange Sicht ist fast unbekannt, wohin uns diese Trends führen werden. Werden wir aufgrund der ständigen Verwendung neuer Anhänge reiner Software neue vergrößerte Teile des motorischen Kortex erhalten? Werden wir mit vollständigen Gedanken an unseren Computer diktieren? Wenn Sie in einem Geschäft sind und einen Pullover ausspionieren, den Ihr Freund vielleicht mag, können Sie ihn dann einfach durchziehen, indem Sie die sensorische Empfindung aus der Ferne senden, die Sie erhalten, wenn Sie mit den Fingern durch den Stoff fahren? Wäre dieses stellvertretende Leben von Natur aus weniger wertvoll, als das Tuch selbst gefühlt zu haben?

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