Mithilfe eines nichtinvasiven Brain-Computer Interface (BCI) entwickelten Forscher den allerersten vom Gehirn gesteuerten Roboterarm, der einen Computer-Cursor kontinuierlich verfolgen kann.

Die Fähigkeit, Robotervorrichtungen ausschließlich durch Gedanken zu steuern, wird breite Anwendung finden, insbesondere zur Verbesserung des Lebens von Patienten mit Lähmungen und Bewegungsstörungen.

BCIs haben sich in der Steuerung von Robotervorrichtungen ausschließlich durch die von Gehirnimplantaten erfassten Signale bereits gut bewährt. Wenn es gelingt, Robotervorrichtungen mit hoher Präzision zu steuern, können diese für eine Vielzahl täglicher Aufgaben eingesetzt werden. Bisher benötigten BCIs zur erfolgreichen Steuerung von Roboterarmen jedoch immer invasive Gehirnimplantate. Zur korrekten Installation und Bedienung dieser Implantate sind umfangreiche medizinische und chirurgische Fachkenntnisse nötig, ganz zu schweigen von den Kosten und potenziellen Risiken für Patienten. Daher ist ihr Einsatz bisher auf nur wenige klinische Fälle beschränkt.

Geringere Präzision

Eine wichtige Herausforderung in der BCI-Forschung ist die Entwicklung nichtinvasiver oder weniger invasiver Technologien, die es gelähmten Patienten ermöglichen, ihre Umgebung oder Robotergliedmaßen mithilfe ihrer eigenen "Gedanken" zu steuern. Der erfolgreiche Einsatz einer solchen nichtinvasiven BCI-Technologie würde zahlreichen Patienten und möglicherweise sogar der Allgemeinbevölkerung eine dringend benötigte Technik bieten.

Die Signale, die BCIs über externe Erfassung statt von Gehirnimplantaten erhalten, sind jedoch nicht so "sauber", was zu geringerer Auflösung und Präzision bei der Steuerung führt. Daher ist das nichtinvasive BCI, das nur das Gehirn zur Steuerung eines Roboterarms nutzt, nicht mit Implantaten vergleichbar. Trotzdem arbeiten BCI-Forscher weiterhin intensiv an einer nichtinvasiven oder weniger invasiven Technologie, die Patienten überall tagtäglich nutzen könnte.

Kurator Professor Bin He, Leiter der Fakultät Biomedizinische Technik der Carnegie Mellon-Universität, erreicht dieses Ziel - eine wichtige Entdeckung nach der anderen.

„Nichtinvasiv ist jedoch unser ultimatives Ziel“

"Wir haben erhebliche Fortschritte im Bereich Robotervorrichtungen mit Gedankensteuerung über Gehirnimplantate gemacht. Das ist hervorragende Forschungsarbeit", sagt He. "Nichtinvasiv ist jedoch unser ultimatives Ziel. Fortschritte in der neuronalen Dekodierung und der praktischen Nutzbarkeit nichtinvasiver Roboterarmsteuerung werden erhebliche Auswirkungen auf die mögliche Entwicklung nichtinvasiver Neurorobotik haben."

Durch den Einsatz neuartiger Techniken für die Erfassung und maschinelles Lernen waren He und sein Laborteam in der Lage, Signale tief im Inneren des Gehirns zu erfassen und damit eine hochauflösende Roboterarmsteuerung zu erzielen. Mit nichtinvasivem Neuroimaging und einem ununterbrochenen Verfolgungsmuster konnte He die rauschanfälligen EEG-Signale eliminieren und somit die EEG-basierte neuronale Dekodierung erheblich verbessern. Damit wurde eine kontinuierliche 2D-Echtzeit-Steuerung von Robotervorrichtungen möglich.