Wie das US-Militär versucht, Gedanken zu lesen

Das neue Forschungsprogramm DARPA entwickelt eine Gehirn-Computer-Schnittstelle, mit der "gedankenschnell arbeitende Drohnenschwärme gesteuert werden können". Was ist, wenn es klappt?

Im August drängten sich drei Doktoranden der Carnegie Mellon University in ein winziges fensterloses Kellerlabor, um mithilfe eines spontanen Aufbaus, der aus einem 3D-Drucker zusammengesetzt wurde, eine Scheibe des Mausgehirns zu schocken.

Dieses Stück Gehirn aus dem Hippocampus war wie eine dünne Knoblauchscheibe. Er ruhte auf einer Plattform, die sich näher an der Mitte des Geräts befand. Ein dünnes Röhrchen wusch die Scheibe mit einer Lösung aus Salz, Glucose und Aminosäuren. Auf diese Weise wurde er in einem dem Leben ähnlichen Zustand gehalten: Die Neuronen in ihm waren weiterhin aktiviert, sodass die Experimentatoren Daten sammeln konnten. Eine darunter befindliche Elektrodenanordnung gab elektrische Entladungen ab, und eine einer Spritze ähnliche Metallsonde maß die Reaktion von Neuronen. Helle LED-Lampen beleuchteten die Tasse. Alles sah auf seinem Knie angesammelt aus.

Auf dem Monitor neben dem Gerät waren Reize und eine Reaktion zu sehen: Einige Millisekunden nach den elektrischen Impulsen wurden die Neuronen aktiviert. Später legten die Experimentatoren zwischen ein Stück Gewebe und Elektroden ein Material, dessen Leitfähigkeit und Transparenz den Knochen des Schädels ähnelt, um herauszufinden, ob sie den Hippocampus der Maus durch Nachahmung des Schädels stimulieren können.

Sie taten dies, weil sie die Signale des menschlichen Gehirns erkennen und steuern wollten, ohne den Schädel schneiden und das empfindliche Gehirngewebe berühren zu müssen. Ihr Ziel ist es, präzise und sensible Gehirn-Computer-Schnittstellen zu entwickeln , die sich wie ein Helm oder ein Stirnband entfernen und aufsetzen lassen - ohne Operation.

Die Dicke der Knochen des menschlichen Schädels beträgt weniger als einen Zentimeter. Die genauen Zahlen variieren von Person zu Person sowie von einem Ort zum anderen. Sie verwischen die Wellenformen, egal ob es sich um elektrischen Strom, Licht oder Ton handelt. Gehirnneuronen können einige Tausendstel Millimeter klein sein und elektrische Impulse mit einer Spannung von 20 Volt erzeugen.

In den Experimenten der Doktoranden sollten grundlegende Daten gesammelt werden, die mit den Ergebnissen der Anwendung der neuen Technologie verglichen werden können, die Pulkit Grover, der wissenschaftliche Chefberater des Teams, zu entwickeln hofft.

"Bisher ist dies unmöglich, und dies ist eine sehr schwierige Aufgabe", sagt Grover. Er leitet eines der sechs Teams, die am Next-Generation Nonsurgical Neurotechnology Program (N3) teilnehmen, einem 104-Millionen-Dollar-Projekt, das dieses Jahr von DARPA ins Leben gerufen wurde. Grovers Team arbeitet mit Elektrizität und Ultraschall, andere Teams verwenden Magnete oder Optiken. Und wenn einer von ihnen Erfolg hat, werden die Ergebnisse revolutionär sein.

Eine Operation ist teuer, und ein chirurgischer Eingriff zur Schaffung eines Supersoldaten ist auch ethisch schwierig. Ein Gerät zum Lesen von Gedanken, das keinen chirurgischen Eingriff erfordert, eröffnet eine Vielzahl von Möglichkeiten. Neurocomputer Interfaces (NQIs) wurden verwendet, um gelähmten Menschen die teilweise Kontrolle über den Körper zurückzugeben und Kriegsveteranen im Irak und in Afghanistan, die Gliedmaßen verloren haben, die Kontrolle über künstliche Gliedmaßen zu ermöglichen. N ³ ist der erste ernsthafte Versuch des US-Militärs, NKI für einen aggressiveren Einsatz zu entwickeln. „Wir arbeiten mit einzelnen Drohnen und ihren Paketen, in der Geschwindigkeit des Denkens und nicht in der Geschwindigkeit mechanischer Geräte - deshalb werden diese Geräte wirklich benötigt“, sagt Al Emondi, Direktor des Programms N ³ .

Jacques J. Vidal, Computerspezialist an der Universität von Kalifornien in Los Angeles, verwendete bereits in den frühen 1970er Jahren den Begriff Gehirn-Computer-Schnittstelle. und es stellte sich heraus, dass es sich um eine dieser Redewendungen wie „künstliche Intelligenz“ handelte, deren Definition sich parallel zur Entwicklung der darin beschriebenen Fähigkeiten entwickelt. Die Elektroenzephalographie (EEG), bei der die Gehirnaktivität mithilfe von Elektroden am Schädel aufgezeichnet wird, kann als erste Schnittstelle zwischen Gehirn und Computer angesehen werden. Gegen Ende der 1990er Jahre verwendeten Forscher der Keyes University der Western Reserve Region das EEG zur Interpretation der Gehirnströme einer gelähmten Person, wodurch er den Cursor mithilfe von Elektroden, die mit seinem Schädel verbunden waren, auf einem Computer bewegen konnte.

Seitdem wurden Technologien zum Lesen von Signalen aus dem Gehirn beider Typen, sowohl invasiver als auch nicht-invasiver, aktiv entwickelt. Es werden auch Geräte entwickelt, die das Gehirn mit elektrischen Signalen zur Behandlung von Krankheiten wie Epilepsie stimulieren. Der bisher leistungsstärkste Mechanismus ist das Mikroelektroden-Array, das als Utah-Array bekannt ist. Es sieht aus wie ein winziges Bett mit Nägeln von der Größe eines halben Fingernagels, das in einen bestimmten Teil des Gehirns eindringen kann.

Einmal, im Jahr 2010, während seines Urlaubs in Outer Banks - einem Streifen schmaler Sandbarriereinseln vor der Küste von North Carolina - duckte sich Ian Burkhart in den Ozean und schlug seinen Kopf auf eine Sandbank. Er verletzte sein Rückenmark und verlor seine Funktionen ab dem sechsten Zervixnerv und darunter. Er konnte Schultern und Ellbogen bewegen, aber nicht mit Händen und Füßen. Physiotherapie hat nicht viel geholfen. Er fragte Ärzte am Wexner Medical Center der Ohio University, ob sie noch etwas anderes tun könnten. Es stellte sich heraus, dass Wexner zusammen mit dem gemeinnützigen Forschungsunternehmen Battelle eine Studie durchführen wollte, um herauszufinden, ob die Mobilität der Extremitäten des Gelähmten mithilfe des Utah-Massivs wiederhergestellt werden kann.

Wenn das EEG die Gesamtaktivität unzähliger Neuronen anzeigt, können Utah-Arrays Impulse aufzeichnen, die von einer kleinen Anzahl von ihnen oder sogar von einem Neuron ausgehen. Im Jahr 2014 implantierten Ärzte das Utah-Array in Burkharts Kopf. Das Array hat das elektrische Feld an 96 Punkten seines Motorkortex 30.000 Mal pro Sekunde gemessen. Mehr als ein Jahr lang besuchte Burkhart mehrmals pro Woche das Labor, und Battelle-Forscher schulten Signalverarbeitungsalgorithmen, um seine Absichten zu erkennen, während er systematisch und intensiv darüber nachdachte, wie er seine Hand bewegen wollte.

Ein dickes Kabel, das mit einer Plattform an Burkharts Schädel verbunden war, sandte die vom Utah-Array gemessenen Impulse an einen Computer. Der Computer entschlüsselte sie und übermittelte die Signale an eine mit Elektroden gefüllte Hülle, die seinen rechten Unterarm bedeckte. Der Ärmel aktivierte seine Muskeln, um die gewünschte Bewegung auszuführen - Greifen, Heben einer Last, Entleeren einer Flasche oder Entfernen einer Karte aus einer Brieftasche.

Dies machte Burkhart zu einem der ersten Menschen, der die Muskelkontrolle über einen „neuronalen Bypass“ wiedererlangte. Jetzt arbeitet Battelle, der ebenfalls am N3-Programm teilnimmt, mit ihm zusammen und versucht herauszufinden, ob es möglich ist, die gleichen Ergebnisse ohne Implantate im Schädel zu erzielen.

Die Frage besteht nicht nur in der Schaffung neuer Geräte, sondern auch in der Entwicklung von Signalverarbeitungstechniken mit besserer Qualität, die in der Lage sind, schwache, gedämpfte Signale zu erkennen, die vom äußeren Teil des Schädels wahrgenommen werden. Aus diesem Grund wird das Carnegie Mellon-Team von Grover geführt, einem Elektrotechniker und keinem Neurowissenschaftler.

Kurz nachdem Grover am Carnegie Mellon Institute ankam, lud ihn sein Freund von der University of Pittsburgh Medical School ein, an klinischen Treffen mit Patienten mit Epilepsie teilzunehmen. Er begann zu vermuten, dass viel mehr Informationen aus dem EEG extrahiert werden können, als bisher angenommen wurde - und daher können raffinierte Manipulationen externer Signale die tieferen Schichten des Gehirns beeinflussen. Einige Jahre später veröffentlichte ein Team unter der Leitung von Edward Boyden vom Center for Neurobiological Engineering am MIT einen bemerkenswerten Artikel, der weit über Grovers ursprüngliche Vermutung hinausgeht.

Boydens Gruppe legte zwei elektrische Signale mit hohen, aber leicht unterschiedlichen Frequenzen an den äußeren Teil des Schädels an. Sie beeinflussten die Arbeit von Neuronen, aber nicht diejenigen, die sich auf der Oberfläche des Gehirns befanden, sondern diejenigen, die sich tiefer befanden. Als Teil eines Phänomens, das als konstruktive Interferenz bezeichnet wird, erhielten sie ein Signal niedrigerer Frequenz, das die Aktivierung von Neuronen stimulierte.

Grover und sein Team arbeiten nun daran, die Ergebnisse von Boyden zu verbessern, indem sie Hunderte von Elektroden auf der Oberfläche des Schädels verwenden, um kleine Bereiche der inneren Regionen des Gehirns genau zu erfassen und das Signal zu steuern, ohne die Elektroden zu bewegen. Laut Grover wäre Neurowissenschaftlern eine solche Idee kaum gekommen.

Im Labor für Angewandte Physik der Johns Hopkins University (APL) verfolgt ein anderes Team aus Projekt N ³ einen völlig anderen Ansatz: Nahes Infrarotlicht.

Nach modernen Konzepten schwillt das Nervengewebe an und zieht sich zusammen, wenn Neuronen elektrische Signale aussenden. Wissenschaftler zeichnen diese Signale auch mit EEG, dem Utah-Array oder anderen Technologien auf. APL Dave Blodget behauptet, dass Schwellung und Kontraktion von Gewebe möglicherweise nicht das Signal mit der schlechtesten Qualität sind, und möchte ein optisches System schaffen, das diese Änderungen misst.

Frühere Technologien konnten solche winzigen physischen Bewegungen nicht erfassen. Aber Blodget und das Team haben bereits gezeigt, dass sie die nervöse Aktivität der Maus registrieren können, wenn sie eine der Antennen bewegt. Zehn Millisekunden nach der Bewegung der Antennen zeichnete Blodget mit seiner optischen Technologie die Aktivierung der entsprechenden Neuronen auf. Und in dem freigelegten Nervengewebe zeichnete sein Team die Aktivität von Neuronen in 10 Mikrosekunden auf - mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Utah-Array oder andere elektrische Methoden.

Die nächste Aufgabe, die gelöst werden muss, ist die Aufnahme durch die Knochen des Schädels. Es klingt wie etwas Unmögliches: Immerhin ist der Schädel für sichtbares Licht undurchsichtig. Licht in der Nähe von Infrarot kann jedoch durch die Knochen dringen. Das Blodgett-Team tastet den Schädel mit energiearmen Infrarotlasern ab und misst die Lichtstreuung dieser Laser. Er hofft, daraus Informationen über die Aktivität von Neuronen gewinnen zu können. Dieser Ansatz hat weniger Evidenz als die Verwendung elektrischer Signale, jedoch sind die DARPA-Programme genau auf solche Risiken ausgelegt.

Bei Battelle entwickelt Gaurav Sharma eine neue Art von Nanopartikeln, die die Blut-Hirn-Schranke durchdringen können . Diese Technologie wird in DARPA als minimal invasiv bezeichnet. In Nanopartikeln ist ein für Magnetfelder empfindlicher Kern von einer Hülle aus einem Material umgeben, das unter Druck Elektrizität erzeugt. Wenn diese Nanopartikel in ein Magnetfeld gebracht werden, drückt der Kern des Partikels auf die Hülle, wodurch ein kleiner Strom erzeugt wird. Ein Magnetfeld ist viel besser geeignet, um durch den Schädel zu scheinen als Licht, sagt Sharma. Mithilfe verschiedener Magnetspulen können Wissenschaftler bestimmte Teile des Gehirns anvisieren. Dieser Prozess kann umgekehrt werden: Wandeln Sie elektrische Ströme durch Lesen des Signals in Magnetfelder um.

Es ist noch nicht bekannt, welcher dieser Ansätze erfolgreich sein wird und ob. Andere Teams von N ³ verwenden verschiedene Kombinationen von Licht-, Elektro-, Magnet- und Ultraschallwellen, um Signale an das Gehirn zu senden und von außen zu lesen. All dies ist zweifellos sehr interessant. Trotz all dieser Begeisterung sollte man nicht vergessen, wie schlimm die Situation im Pentagon und in Unternehmen wie Facebook (das auch den NCI entwickelt) ist, mit einer Vielzahl von ethischen, rechtlichen und sozialen Problemen, die der nicht-invasive NCI aufwirft. Wie verändern Drohnenschwärme, die vom menschlichen Gehirn kontrolliert werden, die Natur von Kriegen? Emondi, Kapitel ³ , sagt, dass NKIs nach Bedarf verwendet werden. Militärische Notwendigkeit ist jedoch ein loses Konzept.

Im August besuchte ich das Labor in Battelle, wo Burkhart mehrere Stunden mit einem neuen Ärmel arbeitete, der mit 150 Elektroden ausgestattet war, die die Muskeln des Arms stimulieren. Er und die Forscher hofften, sie könnten den Ärmel zum Laufen bringen, ohne sich auf Utahs Vielzahl von Gehirnsignalen verlassen zu müssen.


Ian Burkhart und Forscher


Utah Array

Bei einer Verletzung des Rückenmarks ist es sehr schwierig, über die Armbewegung nachzudenken. Burkhart war müde. "Alles funktioniert in Schritten - je aktiver ich denke, desto stärker ist die Bewegung", sagte er mir. - Früher musste ich nicht darüber nachdenken, "öffne meine Hand" - ich nahm einfach die Flasche und hob sie hoch. Aber das Ergebnis motiviert mich sehr - mehr als alle anderen Anwesenden. “ Dank ihm ist das Potenzial dieser Technologie leicht zu erkennen.

Er sagte, dass er seit Beginn der Arbeit mit dem Utah-Massiv selbst in Zeiten, in denen er es nicht benutzt, mächtiger und beweglicher geworden sei. Er kann schon fast alleine leben und braucht nur ein paar Stunden am Tag Hilfe. „Ich kann mehr mit meinen Händen reden. "Ich kann das Telefon halten", sagt er. "Wenn aus diesem Projekt etwas wird, das täglich verwendet werden kann, werde ich es tragen, solange ich kann."