Die Kontrolle eines Computers mit dem eigenen Geist war einst pure Science-Fiction, ist aber dank der Technologie der Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI) nun plausibel. Heutige BCI-Systeme haben außergewöhnliche Fortschritte erzielt, um komplexe Maschinen durch Gedanken zu steuern, aber es gibt noch ein großes Hindernis – die Identifizierung eines neuartigen Signals, das durch die Kopfhaut und den Schädel aufgezeichnet werden kann.
Forscher des Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) in Laurel, Maryland, und der Johns Hopkins School of Medicine in Baltimore haben einen Durchbruch in der nicht-invasiven, hochauflösenden Aufzeichnung neuronaler Gehirnaktivität erzielt.
In einem in Scientific Reports veröffentlichten Artikel demonstriert das Team, dass Deformationen des neuronalen Gewebes ein neuartiges Signal für die Gehirnaktivität liefern können, das für zukünftige BCI-Geräte genutzt werden könnte.
Die Forschung des APL war Teil des Programms für nicht-chirurgische Neurotechnologie der Defense Advanced Research Projects Agency.
"Heute erfordern die leistungsstärksten BCI-Technologien invasive chirurgische Implantate, um Gehirnaktivität aufzuzeichnen und zu dekodieren", sagte Mike Wolmetz, Programmleiter für Mensch-Maschine-Intelligenz am APL.
"Es gibt nur eine Handvoll nicht-chirurgischer Methoden, die alle erhebliche und grundlegende Einschränkungen in Bezug auf räumliche Auflösung, zeitliche Auflösung, Signal-Rausch-Verhältnis und Formfaktor aufweisen. Unsere Erkenntnisse bilden die Grundlage für einen neuen Ansatz, der die Möglichkeiten für nicht-chirurgische BCI erheblich erweitern könnte."
BCI-Technologien funktionieren, indem sie neuronale Aktivität aufzeichnen, die mit einer Funktion wie Sprache, Bewegung oder Aufmerksamkeit verbunden ist, und diese Aktivität dann interpretieren, oft um ein externes Gerät zu steuern, ohne einen Muskel bewegen zu müssen.
Die Steuerung komplexer Systeme ohne chirurgische Implantate könnte breite Anwendungen haben, die einer größeren Bevölkerung zugutekommen. Heute ist BCI aufgrund seiner invasiven Natur auf klinische Fälle beschränkt. Etwa 50 Personen haben ein BCI implantiert.
"Es gibt zwei Herausforderungen, um ein nicht-invasives BCI-Gerät zu realisieren: ein Signal im Gehirn zu identifizieren, das Einblicke gibt, wann und wo neuronale Aktivität auftritt, und die Fähigkeit zu demonstrieren, dieses Signal durch die Kopfhaut und den Schädel einer Person aufzuzeichnen", sagte David Blodgett, der Hauptforscher des Projekts und Chefwissenschaftler am APL.
Das Team strebte an, die erste dieser Herausforderungen zu bewältigen, indem es ein digitales holographisches Bildgebungssystem (DHI) entwickelte, um das Signal als Gewebedeformation zu identifizieren und zu validieren, die während der neuronalen Aktivität auftritt. Die Gewebedeformation ist nur wenige Dutzend Nanometer hoch, daher wurde das DHI-System mit Empfindlichkeiten auf Nanometerskala entwickelt.
Das DHI-System funktioniert, indem es das Gewebe aktiv mit einem Laser beleuchtet und das Licht aufzeichnet, das vom neuronalen Gewebe auf eine spezielle Kamera gestreut wird.
Diese Informationen werden verarbeitet, um ein komplexes Bild des Gewebes zu erstellen, aus dem Magnitude- und Phaseninformationen präzise aufgezeichnet werden können, um räumlich Veränderungen der Geschwindigkeit des Gehirngewebes zu erfassen. Im Laufe mehrerer Jahre wurden zahlreiche grundlegende Tests durchgeführt, um sicherzustellen, dass das Signal, das das Team identifiziert hat, tatsächlich mit dem Zeitpunkt korreliert ist, an dem Neuronen feuern.
Das neuronale Signal war aufgrund von konkurrierendem Rauschen aus physiologischen Störungen wie Blutfluss, Herzfrequenz und Atemfrequenz schwierig zu identifizieren.
Blodgett, dessen Hintergrund in der Entwicklung von Technologien zur Luft- und Unterwasserfernerkundung liegt, beschrieb die Herausforderung als ein Fernerkundungsproblem, bei dem das Team ein kleines Signal – neuronale Aktivität – in einer komplexen, überfüllten Umgebung – dem Gehirn – erkennen musste.
Um diese Herausforderung zu meistern, war ein breites Spektrum technischer Fähigkeiten erforderlich. Blodgett und sein Team arbeiteten mit Johns Hopkins Medicine zusammen und bündelten multidisziplinäre Expertise in der biomedizinischen Bildgebung, Unterwasserabbildung, akustischer Verarbeitung, Echtzeithardware- und Software-Systemen, Neurowissenschaften und medizinischer Forschung.
Obwohl das Ziel des Teams darin bestand, das physiologische Rauschen zu reduzieren, um das neuronale Signal zu identifizieren, entdeckten sie, dass das Rauschen auch Einblicke in die Gesundheit eines Individuums geben könnte. Die Fähigkeit, physiologische Signale aufzuzeichnen, erweitert das Anwendungspotenzial des Systems.
Ein Beispiel war die Erkenntnis, dass das System in der Lage war, nicht-invasiv den intrakraniellen Druck aufzuzeichnen. Wenn Ärzte den intrakraniellen Druck eines Patienten messen müssen, müssen sie ein Loch in den Schädel bohren.
Wenn jemand eine traumatische Gehirnverletzung erleidet und ein Medikament erhält, wissen die Ärzte nicht, ob das Medikament wirkt, bis der Patient aufwacht. Die Fähigkeit, die Gesundheit des Gehirns von außen zu überwachen, könnte den Klinikern helfen, diese Herausforderungen ohne invasive Methoden zu bewältigen.
"Die Fähigkeit, die Gehirnfunktion und -gesundheit durch den Schädel hinweg ohne invasive Operationen zu überwachen, ist klinisch sehr nützlich", sagte Austen Lefebvre, Assistenzprofessor für Neurologie an der Johns Hopkins University und Autor des Artikels.
"Obwohl noch viel über das neuronale Signal zu verstehen ist, eröffnen die Erkenntnisse des Teams neue Wege für die optische Aufzeichnung der Gehirnfunktion, indem die digitale holographische Bildgebung als nicht-invasive Modalität mit hoher Auflösung etabliert wird", sagte Wolmetz. "Die Priorität liegt jetzt darauf, das Potenzial für Anwendungen in der grundlegenden und klinischen Neurowissenschaft beim Menschen zu demonstrieren."