Eine Gehirn-Computer-Schnittstelle, die einem Forschungsteilnehmer mit Tetraplegie und Lähmungen in allen vier Gliedmaßen chirurgisch implantiert wurde, ermöglichte ein beispielloses Maß an Kontrolle über einen virtuellen Quadcopter – allein durch den Gedanken an die Bewegung seiner nicht reagierenden Finger.
Die Technologie teilt die Hand in drei Teile: den Daumen und zwei Paar Finger (Zeige- und Mittelfinger, Ring- und Kleinfinger). Jedes Teil kann sowohl vertikal als auch horizontal bewegt werden. Während der Teilnehmer zeitweise gleichzeitig darüber nachdenkt, die drei Gruppen zu bewegen, reagiert der virtuelle Quadcopter und manövriert durch einen virtuellen Hindernisparcours.
Es ist ein aufregender nächster Schritt, um gelähmten Menschen die Möglichkeit zu geben, mit Freunden zu spielen und gleichzeitig das Potenzial für die Durchführung von Fernarbeit zu demonstrieren.
„Das ist ein höherer Grad an Funktionalität als alles, was bisher auf Fingerbewegungen basierte“, sagte Matthew Willsey, Assistenzprofessor für Neurochirurgie und Biomedizintechnik an der UM und Erstautor einer neuen Forschungsarbeit in Nature Medicine. Die Tests, die zu der Arbeit führten, wurden durchgeführt, als Willsey an der Stanford University forschte, wo die meisten seiner Mitarbeiter ansässig sind.
Während es nicht-invasive Ansätze gibt, um verbessertes Videospielen zu ermöglichen, wie z. B. die Verwendung von Elektroenzephalographie zur Erfassung von Signalen von der Oberfläche des Kopfes des Benutzers, kombinieren EEG-Signale Beiträge aus großen Regionen des Gehirns. Die Autoren glauben, dass zur Wiederherstellung einer hochfunktionellen Feinmotorik die Elektroden näher an den Neuronen platziert werden müssen. Die Studie stellt eine sechsfache Verbesserung der Quadcopter-Flugleistung des Benutzers fest, indem Signale direkt von Motoneuronen im Vergleich zum EEG gelesen werden.
Um die Schnittstelle vorzubereiten, werden die Patienten einem chirurgischen Eingriff unterzogen, bei dem Elektroden im motorischen Kortex des Gehirns platziert werden. Die Elektroden sind mit einem Sockel verbunden, der am Schädel verankert ist und aus der Haut austritt, was eine Verbindung zu einem Computer ermöglicht.
„Es nimmt die im motorischen Kortex erzeugten Signale, die einfach auftreten, wenn der Teilnehmer versucht, seine Finger zu bewegen, und verwendet ein künstliches neuronales Netzwerk, um zu interpretieren, welche Absichten die Steuerung virtueller Finger in der Simulation haben“, sagte Willsey. „Dann senden wir ein Signal, um einen virtuellen Quadcopter zu steuern.“
Die im Rahmen der klinischen BrainGate2-Studien durchgeführte Forschung konzentrierte sich darauf, wie diese neuronalen Signale mit maschinellem Lernen gekoppelt werden könnten, um neue Optionen für die externe Gerätesteuerung für Menschen mit neurologischen Verletzungen oder Erkrankungen bereitzustellen. Der Teilnehmer begann seine Zusammenarbeit mit dem Forschungsteam in Stanford im Jahr 2016, mehrere Jahre nachdem er aufgrund einer Rückenmarksverletzung weder Arme noch Beine benutzen konnte. Er war daran interessiert, einen Beitrag zu der Arbeit zu leisten, und hatte ein besonderes Interesse am Fliegen.
„Die Quadrocopter-Simulation war keine willkürliche Wahl, der Forschungsteilnehmer hatte eine Leidenschaft für das Fliegen“, sagte Donald Avansino, Co-Autor und Informatiker an der Stanford University. „Die Plattform erfüllte nicht nur den Wunsch der Teilnehmer nach Flug, sondern demonstrierte auch die Steuerung mit mehreren Fingern.“
Co-Autor Nishal Shah, künftiger Professor für Elektro- und Computertechnik an der Rice University, erklärte: „Die Kontrolle der Finger ist ein Sprungbrett; das ultimative Ziel ist die Wiederherstellung der gesamten Körperbewegung.“
Jaimie Henderson, Stanford-Professorin für Neurochirurgie und Mitautorin der Studie, sagte, die Bedeutung der Arbeit gehe über Spiele hinaus. Es ermöglicht eine menschliche Verbindung.
„Die Menschen neigen dazu, sich auf die Wiederherstellung der Grundfunktionen zu konzentrieren – Essen, Anziehen, Mobilität – und das ist alles wichtig“, sagte er. „Aber oft kommen auch andere ebenso wichtige Aspekte des Lebens zu kurz, etwa die Erholung oder der Kontakt mit Gleichaltrigen. Die Menschen wollen Spiele spielen und mit ihren Freunden interagieren.“
Eine Person, die sich mit einem Computer verbinden und ein virtuelles Fahrzeug einfach durch Denken manipulieren kann, könnte irgendwann zu viel mehr fähig sein, sagt er.
„Wenn man mehrere virtuelle Finger mit Gehirnsteuerung bewegen kann, kann man für alle möglichen Dinge multifaktorielle Steuerungsschemata verwenden“, sagte Henderson. „Das kann alles bedeuten, von der Bedienung einer CAD-Software bis hin zum Komponieren von Musik.“
Die Forscher Nick Hahn, Ryan Jamiolkowski, Foram Kamdar und Francis Willett von Stanford und Leigh Hochberg von der Brown University trugen ebenfalls zu der Studie bei.
VORSICHT: Untersuchungsgerät. Durch Bundesgesetz auf Forschungszwecke beschränkt.
