Gehirnimplantate. Brain-Computer-Interfaces als Sprechprothese


Bachelorarbeit, 2013
43 Seiten, Note: 3,0

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 - Einleitung

2 - Ausgesuchte Funktionsweisen des Gehirns hinsichtlich der Relevanz für Brain-Computer-Interfaces

3 - Überblick über die Entwicklung von Brain-Computer-Interfaces

4 - Mögliche Methoden für Brain-Computer-Interfaces als Echtzeit-Sprechprothese
4.1 - Überblick über verschiedene Aufnahmemethoden neurologischer Signale zur Anwendung für BCI als Echtzeit-Sprechprothese
4.2 - Gehirnimplantate im Motorcortex für BCIs als Echtzeit-Sprechprothese

5 - Zukunft und Potential - Diskussion

Quellenverzeichnis

1 - Einleitung

Das menschliche Gehirn ist vermutlich das Eindrucksvollste, das die Evolution auf der Erde je hervorgebracht hat. Die Sprache war und ist dabei das wertvollste Werkzeug für unsere Zivilisation ohne die sich unsere technologisierte, auf Vernunft basierte Gesellschaft nie in diesem Maße entwickelt hätte. Die Tatsache, dass es Menschen gibt die auf diese Fähigkeit aus verschiedensten Gründen verzichten müssen, stellt heutzutage wohl ein größeres Handicap dar, als der Verzicht auf die Fähigkeit zu Gehen. Da die verbale Interaktion mit anderen Menschen schon seit je her als elementar gilt, Menschen in unserer heutigen Gesellschaft jedoch nicht mehr jagen, oder vor Fressfeinden davonlaufen müssen und somit voll funktionsfähige Beine unbedingt benötigen. So ist das Entwickeln von Sprechprothesen ebenso, wenn nicht noch wichtiger, als das von Gehprothesen, wenn auch ungleich komplexer. Hochtechnologisierte Prothesen sind die logische Konsequenz einer hochtechnologisierten Gesellschaft, in der der Versuch, das vermeidlich schwächste Glied in der Gesellschaft auf ein Niveau zu verhelfen, auf dem es selbstständig und lebenswert leben kann, als äußerst erstrebenswert gilt.

So wurden vor allem Brain-Computer-Interfaces (BCIs) im Laufe der letzten Jahrzehnte immer weiter entwickelt um die Kommunikation von Menschen mit schwerwiegenden Lähmungen wiederherzustellen. BCIs nennt man Systeme, die eine direkte oder indirekte Verknüpfung des Gehirns mit einem Computer oder einer anderen Maschine ermöglicht, ohne dabei das periphere Nervensystem zu aktivieren, also zum Beispiel Arme, Hände usw.. BCIs werden seit Ende des vergangenen Jahrhunderts immer weiter entwickelt und spielen eine immer größere Rolle bei der Erforschung des Gehirns (mehr dazu in Kapitel 3). (Vgl. Graimann, Allison und Pfurtscheller 2010)

Vor allem Patienten mit Locked-in-Syndrom (LIS), einen durch Lähmung hervorgerufener Zustand, bei dem Patienten normalerweise unfähig sind mit ihrer Umwelt zu interagieren nutzen BCIs (Brumberg und Guenther 2010). Diese Menschen seien lediglich dazu in der Lage ihre Augen zu bewegen oder zu blinzeln um etwa Entscheidungsfragen zu beantworten, ihre Kognitiven Fähigkeiten seien allerdings noch vollkommen intakt.

“Locked-in patients often retain slow eye movement or eye blink control which can be used to answer simple yes/ no questions, but they are completely deprived of any other voluntary motor behavior, including speech and movements of the speech articulators.“

(Brumberg, Nieto-Castanon et al. 2010: 2)

Die progressive, degenerative Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) zum Beispiel, bei dem die Krankheit die Neuronen im Gehirn und auch im Rückenmark degenerieren lässt und somit eine Lähmung des ganzen Körpers hervorruft, kann im Endstadium zum LIS führen. Dabei verkümmern auch die Muskeln durch die fortschreitende Lähmung.

“By any of its names, ALS[...] is characterised by progressive degeneration of the motor cells in the brain and spinal cord. The motor cells (neurones) control the muscles that enable us to move around, speak, breathe, and swallow. With no nerves to activate them, muscles gradually weaken and waste. Symptoms may include muscle weakness and paralysis, as well as impaired speaking, swallowing, and breathing. In most cases, it does not affect intellect, memory, or the senses.”

(http://www.alsmndalliance.org/whatis.html am 30.06.2013)

Aber auch ein Hirnschlag, eine exogene Hirnverletzung oder Multiple Sklerose können laut Brumberg und Guenther (2010) schwerwiegende Lähmungen zur Folge haben. Da auch der Vokaltrakt von der Lähmung betroffen sein könne, würde dann das Sprechen für den Patienten unmöglich werden. Heutzutage wären derartig gehandicapte Menschen, Hauptgrund für die Notwendigkeit von BCIs in der Medizin.

Der womöglich bekannteste Nutzer eines vermeidlichen BCI als Sprechprothese ist Stephen Hawking, der durch ALS seit Jahren nur noch seine Augen und eine Wange bewegen kann und mittels eines Sprachcomputers (DECtalk DTC01) kommuniziert und dadurch weiterhin beachtliche Arbeit auf dem Feld der Physik leisten kann. Den Sprachcomputer steuert Hawking durch Wangenbewegungen, die von einem Infrarotsensor auf seiner Brille wahrgenommen und an den Computer weitergegeben werden. Somit ist es Hawking möglich durch seine Wangenbewegung, Buchstaben zu selektieren die er auf einem Bildschirm angezeigt bekommt und somit Wörter und ganze Sätze zu bilden. Die Text-to-Speech-Software des Computers kann dann die buchstabierten Wörter hörbar wiedergeben. (Vgl. http://www.hawking.org.uk/the-computer.html am 30.06.2013)

Eine weitere Möglichkeit BCIs dieser Form als Sprechprothese zu nutzen, wäre es, Wörter zu buchstabieren, die nicht etwa wie bei Hawking durch Wangenbewegung selektiert werden, sondern mittels Eye-Tracking. Bei diesem Verfahren müsste der Nutzer lediglich die auf dem Bildschirm des Sprachcomputers angezeigten Buchstaben, mit seinen Augen fokussieren um Wörter zu buchstabieren. Diese Methode würde vermutlich eine Verbesserung, zumindest in Bezug auf die benötigte Zeit pro buchstabiertes Wort bedeuten. Im Falle von Hawking muss der Richtigkeit halber aber erwähnt werden, dass es sich bei seiner Sprechprothese, zwar sehr wohl um eine solche handelt, jedoch nicht um ein BCI per Definition, da er durch seine Wangenbewegung sein peripheres Nervensystem aktiviert und dadurch den Computer bedient.

Moderne Forschungen haben sich aber zum Ziel gesetzt bereits existierende Technologien zu verbessern und BCIs zu verwenden um Sprache direkt wiederzugeben, anstatt dass Patienten Worte einfach nur buchstabieren (Brumberg und Guenther 2010). Diese BCIs könnten nach Forschern wie etwa Frank Guenther von der Boston University, den kompletten Vokaltrakt von paralysierten Menschen ersetzen und ihnen somit die Sprache wiedergeben.

“Such methods are the first steps towards speech prostheses as they are intended to entirely replace the vocal apparatus of paralyzed users.”

(Brumberg und Guenther 2010: 1)

Solche modernen, Sprache direkt wiedergebenden BCIs haben laut Brumberg und Guenther (2010) zwei entscheidende Vorteile gegenüber anderen BCIs wie zum Beispiel dem von Stephen Hawking.

“First, while often very accurate, the letter selection rate can be as slow as one word/min, limiting a user’s ability to converse fluently in real-time. Second, these systems are ‘generic’ in that they can be used for any itemselection task; thus, they ignore potentially valuable neurological information as well as speech-related constraints that may improve communication abilities.“

(Brumberg und Guenther 2010: 2)

Im Endeffekt bedeutet dies, dass moderne BCIs ihren Anwendern eine schnellere, natürlichere und somit intuitiver Kommunikation ermöglicht, da bei BCIs wie denen von Hawking die Eingabe eines Wortes eine ganze Minute dauern kann, oder ein Satz bis zu 20 Minuten (http://www.buzzle.com/articles/how-does-stephen-hawking-communicate.html am 30.06.2013). Außerdem nutzen solche Systeme sprachrelevenate neurologische Information nicht, die genutzt werden könnten um Sprechprothesen zu verbessern.

Doch auch für völlig gesunde Menschen könnten von sprachcodierte BCIs (also BCIs, die die Kommunikation zwischen Mensch und Maschine durch natürliche Sprache ermöglicht) profitieren. Schon heute ist die Sprachsteuerung von Geräten wie u.a. Fernseher oder Smartphones keine Besonderheit mehr. Ebenso könnte man vermuten, dass die Hemmschwelle der Menschen, bezüglich invasiver, minimalinvasiver und nichtinvasiver Operationen sinkt, selbst wenn diese keinen gesundheitlichen Hintergrund haben. Sprachcodierte BCIs könnten also eine verbesserte, intuitive Verbindung von Mensch und Maschine bedeuten, die von jeder Person genutzt werden kann, die das möchte (mehr dazu in Kapitel 5).

2 - Ausgesuchte Funktionsweisen des Gehirns hinsichtlich der Relevanz für
Brain-Computer-Interfaces

Ohne das Wissen über das menschliche Gehirn, wäre die Entwicklung von BCIs vermutlich unmöglich. Vor allem das Neuron - die Gehirnzelle, spielt eine essentielle Rolle bei dem Unterfangen, ein Gehirn, mehr oder weniger direkt mit einem Computer zu verbinden, weswegen in diesem Kapitel besonders auf ihre Funktionsweise eingegangen wird.

Die Entschlüsselung des Gehirns ist vermutlich eines der bedeutsamsten Unterfangen in der Wissenschaft. Es stellt heute immer noch ein Rätsel dar, doch ist es Wissenschaftlern in den letzten Jahrhunderten gelungen, dieses größtes aller Rätsel allmählich zu lösen (Vgl. Thompson 2010). Der Neurowissenschaftler Richard F. Thompson beschreibt die Wichtigkeit und Komplexität dieses Organs so:

“Das menschliche Gehirn ist die bei weitem komplizierteste Struktur, die wir im Universum kennen. Die außergewöhnlichen Eigenschaften dieser etwa drei Pfund schweren Masse aus weichem Gewebe haben es der Art Homo sapiens ermöglicht, die Herrschaft über die Erde anzutreten, durch gezielte Genmanipulation in den Lauf der Evolution einzugreifen, auf dem Mond spazieren zu gehen sowie Kunst und Musik von überragender Schönheit zu schaffen. Noch kennen wir die Grenzen des menschlichen Gehirns und seines Leistungsvermögen nicht.“

(Thompson 2010: 1)

Das menschliche Gehirn besteht nach Thompson (2010) aus geschätzt einer Billion Neuronen (auch Nervenzellen genannt). Jedes Neuron ist eine einzelne Zelle, die aus einem Zellkörper besteht, indem sich der Zellkern befindet und aus einem Axon und den Dendriten, wobei ein Axon eines Neurons, über eine Synapse, mit den Dendriten eines anderen Neurons verknüpft ist. Die Aufgabe eines Neurons, ist die Übermittlung von Information an eine andere Zelle. Dies geschieht durch das Axon, das je nach Aufgabenbereich von einigen Mikrometern bis zu über einem Meter lang sein kann. Synapsen werden die Verbindungen zwischen den Neuronen (aber auch anderen Zellen) genannt, die sowohl chemisch als auch elektrisch sein können. Die Informationsweitergabe erfolgt meist chemisch, wenn das Axon an einen Effektor (letztendliches Ziel einer Informationsübermittlung) übermittelt, indem Botenstoffe, sogenannte Neurotransmitter, über eine chemische Synapse an andere Zellen gesendet werden. Seltener existieren jedoch auch elektrische Synapsen, über die Informationen an andere Neuronen übermittelt werden und somit zum Beispiel Muskelzellen zum kontrahieren bringen können. Die Dendriten sind als Andockstellen zu verstehen, die mit vielen Synapsen übersät sind, an denen die Axone anderer Neuronen anknüpfen können. Sie verbinden also Neuronen untereinander, wie es im Gehirn Billionen- wenn nicht Billiardenfach vorkommt, da ein einzelnes Neuron im Gehirn mehrere tausend Kontakte zu anderen Neuronen knüpfen kann. (Vgl. Thompson 2010)

“Die Anzahl der möglichen Kombinationen von synaptischen Verbindungen zwischen den Neuronen in einem einzelnen menschlichen Gehirn ist größer als die gesamtzahl der Atome im ganzen bekannten Universum. Die Vielfalt der Verknüpfungen im menschlichen Gehirn erscheint daher fast unbegrenzt.“

(Thompson 2010: 3)

Nach Thompson (2010) sind synaptische Verknüpfungen hauptsächlich genetisch vorprogrammiert, doch sind Wissenschaftler inzwischen davon überzeugt, dass sich diese Verknüpfungen im Laufe eines Lebens erweitern, neu bilden und verändern können. Es ist also möglich, dass durch Neubildung dieser synaptischen Verknüpfungen der Neuronen im Gehirn, unter anderem die Sprache erlernt wird.

Abbildung 1 (http://biomedicalengineering.yolasite.com/neurons.php am 29.06.2013)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Eine schematische Grafik eines Neurons, das mit einem anderem Neuron über das Axon verbunden ist.

Die Kommunikation zwischen Neuronen untereinander oder Neuronen mit anderen Zellen wird durch das sogenannte Aktionspotential ermöglicht (wie später im Kapitel noch näher erklärt wird) und ist davon abhängig (Thompson 2010). Durch einen anfänglichen, elektrischen Reiz kommt es im Neuron zu einem elektrischen Nervenimpuls und einer Spannungsänderung, dem Aktionspotential. Wird im Neuron am Axonhügel, dem Ursprung eines Axon, ein Aktionspotential erzeugt und bewegt sich durch Ionenkanäle entlang des Axon bis zur Axonendigung, dem Ende des Axon, ändert sich dort an der präsynaptischen Membran der Zelle die elektrische Spannung. Ist diese Groß genug, wird in der postsynaptischen Membran (ein Teil einer chemischen Synapse) die Schwelle für ein Aktionspotential erreicht und das elektrische Signal in ein chemisches umgewandelt. Es öffnen sich Spannungsgesteuerte Tore in der Zellmembran, durch die positiv geladene Calciumionen (Ca2+) einströmen. Das Einströmen dieser geladenen Atome löst dann die Ausschüttung des Neurotransmitters aus, der dann von Rezeptoren der anderen Zelle “eingefangen“ wird, was dazu führt, dass das chemische Signal wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt wird - Dieses befindet sich dann in der nächsten Zelle. Auf diese Weise wird Informationsübertragung zwischen in einzelnen Neuronen in einem neuronalen Netz ermöglicht. (Vgl. Thompson 2010)

Das Aktionspotential ist mit dem binären Code eines Computersystems zu vergleichen, indem es nur 0 und 1 gibt, es also erreicht wird, oder nicht. Das Aktionspotential gleicht also einer “Alles-oder-Nichts“-Reaktion, bei dem der Nervenimpuls entweder stark genug ist oder nicht. Verantwortlich dafür ist ein zu erreichender Schwellenwert oder auch Schwellenpotential, von etwa -60 Millivolt (mV) (dieser Schwellenwert kann je nach Art der Zelle variieren), bei einem Ruhepotential von etwa -70 mV - Die elektrische Spannung im Neuron muss sich also um anfänglich 10 mV erhöhen um letztendlich die Ausschüttung des Neurotransmitters zu veranlassen, tut sie das nicht, passiert auch nichts und die Spannung im Neuron fällt auf das Ruhepotential zurück. Nach einer Spannungserhöhung im Neuron, sorgen chemische Prozesse dafür, dass die Zelle wieder auf das ursprüngliche Ruhepotential zurückgelangt (siehe Abbildung 2). Wie stark ein Reiz letztendlich ist, ist davon abhängig wie oft in kürzester Zeit ein Aktionspotential erreicht wird und wird als Feuerungsrate bezeichnet (man sagt auch das die Neuronen feuern). Dies liegt an der Tatsache, dass ein Aktionspotential in einem Neuron, immer den selben Maximalwert aufweist, wie später im Kapitel noch genauer beschrieben wird. (Vgl. Thompson 2010)

Abblidung 2 (http://pharmakologie.files.wordpress.com/2009/03/491px-aktionspotential_svg.png%3Fw%3D530 vom 29.06.2013)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zu sehen ist ein Diagramm eines Aktionspotentials - die Schwellenspannung (hier Schwellenniveau genannt) beträgt in diesem Fall -55 mV.

Erklärend zu Abblidung 2 sei gesagt, dass nach einem anfänglichen Reiz die Spannung in der Zelle in diesem Fall auf +40 mV steigt. Übersteigt die Spannung das Niveau von hier -55 mV (dem Schwellenpotential) kommt es zum Aktionspotential, bleibt die Spannung unter diesem Schwellenwert, entstehen lediglich sogenannte unterschwellige Reize, die kein Aktionspotential auslösen. Das Ansteigen der Spannung wird Depolarisation genannt und geschieht automatisch sobald das Schwellenpotential durch den anfänglichen Reiz erreicht wurde in dem sich Tore in der Zellmembran öffnen, die das Einströmen von Natrumionen (Na+) zulassen. Die Spannung in der Zelle erhöht sich dann durch das Einströmen dieser Natriomionen (Na+) automatisch auf ein maximales Niveau. Das Abfallen wird Repolarisation genannt - Durch das Einströmen von spannungsmindernden Kaliumionen (K+) kommt es nach der höchsten erreichten Spannung, der Spitze (engl. spike) zu einem stetigen Abfallen der Spannung und schließlich einer Hyperpolarisation, wodurch das Ruhepotential sogar noch unterschritten wird. Dies geschieht weil die Tore in der Membran der Zelle, sich im Falle der Kaliumtore (die das Einströmen der Kaliumionen (K+) regeln) nur langsam wieder schließen. Nachdem die Tore jedoch letztendlich geschlossen sind, normalisiert sich die Spannung in der Zelle wieder auf das Ruhepotential. (Vgl. Thompson 2010)

Dieses Aktionspotential ereignet sich bei der Durchführung einer Bewegung zum Beispiel, nahezu synchron bei vielen Neuronen in einem Bereich im Motorcortex. Es ist also nicht allein ein Neuron, das die Kontrolle über eine Bewegungsmuster hat, sondern ein fast synchrones Zusammenspiel vieler Neuronen. (Vgl. Graimann, Allison und Pfurtscheller 2010)

Bei besonders fortschrittlichen BCIs, die intrakortikale (also in der Großhirnrinde) Implantate zur Signalmessung nutzen, wird das Aktionspotential einzelner Neuronen gar direkt gemessen. Dabei wird von Mikroelektroden, die Spannung in der Zellmembran dieser Neuronen registriert und somit Information über Aktivität an einen Computer übermittelt (siehe Kapitel 4.2). Die Tatsache dass Wissenschaftler sich diese neurologischen Signale zu nutzen machen können, stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Entwicklung von BCIs als Sprechprothese dar.

Wie bereits erwähnt besteht das Gehirn aus Milliarden, wenn nicht sogar einer Billion Neuronen, dennoch ist das Gehirn keine einheitliche Masse. Das Gehirn zeichnet sich durch viele vielerlei Strukturen aus, die verschiedene Aufgabe erfüllen. So bilden nach Thompson (2010) Medulla oblongata (dt. verlängertes Mark) und Pons (dt. Brücke) etwa den Hirnstamm, der alle Nervenstränge enthält, die das Rückenmark mit dem Rest des Gehirns verbinden. Außerdem enthält der Hirnstamm mehrere Kerne des autonomen Nervensystems, die zum Beispiel die Atmung und die Herzfunktion beeinflussen. Auch das Mittelhirn oder Mesencephalon genannt, trägt maßgeblich zu vermeidlich “simplen“ (wenn man bei so etwas komplexen wie dem Gehirn überhaupt von “simpel“ sprechen kann) Funktionen wie Hören oder Sehen bei, wobei auch die Bewegungskontrolle entscheidende Wurzeln im Mittelhirn hat. Es geht im vorderen Bereich in den Thalamus und Hypothalamus über. Das Kleinhirn liegt oberhalb der Brücke (Pons) und hat viele Aufgaben. Es koordiniert einerseits die Motorik und den Gleichgewichtssinn, übernimmt aber auch Funktionen des Hör- und Sehsystems. Der Bereits erwähnte Thalamus ist als Schaltstation vieler Systeme zu verstehen. Es verbindet das Mittelhirn und das Großhirn und leitet Signale vielerlei Areale im Gehirn weiter. Der Hypothalamus steht als Teil des limbischen Systems, das man als System instinktiver Funktionen, wie den Trieben verstehen kann, mit vielen anderen Arealen des Gehirns in Verbindung. Er kontrolliert unter anderem die Funktion der nahe liegenden Hirnanhangsdrüse und ist damit ein entscheidender Faktor bei der Ausschüttung von Hormonen. Somit sind Gefühle wie sexuelle Erregung oder Wohlbefinden, aber auch “Kampf-oder-Flucht-Reaktionen“ auf den Hypothalamus zurückzuführen. Aber auch Wachstum und Haarwuchs sind demnach unter der Kontrolle dieses Hirnteils. “Der Hypothalamus scheint also das wichtigste Kontrollzentrum für Gefühle zu sein.“ (Thompson 2010: 18) Es existieren noch einige weitere Strukturen im Gehirn, die Menschen mit anderen höheren Tieren gemein haben und ihnen weitestgehend kaum unterscheiden. (Vgl. Thompson 2010) Die Struktur im Gehirn, die uns dagegen sehr wohl von anderen Tieren unterscheidet ist die Großhirnrinde.

[...]

Ende der Leseprobe aus 43 Seiten

Details

Titel
Gehirnimplantate. Brain-Computer-Interfaces als Sprechprothese
Hochschule
Universität Konstanz
Note
3,0
Autor
Jahr
2013
Seiten
43
Katalognummer
V315756
ISBN (eBook)
9783668155961
ISBN (Buch)
9783668155978
Dateigröße
1171 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Neurologie, Neurolinguistik, ALS, Locked-In-Snydrom, Amyotrophe Lateralsklerose, Philip R. Kennedy, BCI, Brain-to-Brain-Interface, BTB, Technologische Telepathie, Transhumanismus
Arbeit zitieren
Gilles Claude Förstner (Autor), 2013, Gehirnimplantate. Brain-Computer-Interfaces als Sprechprothese, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/315756

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