Affe denkt Roboter in Aktion

In einer dramatischen Demonstration des Potenzials von Armprothesen konnte ein Affe an der University of Pittsburgh sein Gehirn verwenden, um einen Roboterarm direkt zu steuern und sich selbst mit einem Marshmallow zu füttern. Die Forschung, heute in der Zeitschrift veröffentlicht Natur , zeigt erstmals, dass eine Schnittstelle, die Gehirnsignale direkt in Aktionen umwandelt, ausgereift genug ist, um eine praktische Funktion zu erfüllen: Essen. Forscher, die die Arbeit leiteten, haben gerade mit menschlichen Tests einer verwandten Technologie begonnen.

Gehirnleistung: Ein Affe mit einer Reihe winziger Elektroden, die in sein Gehirn implantiert sind, nutzt seine Gedanken, um einen Roboterarm zu steuern, greift sich ein Stück Marshmallow und führt es zu seinem Mund. Die Wissenschaftler hoffen letztendlich, dass diese Art von Gehirn-Maschinen-Schnittstelle gelähmten Menschen hilft, alltägliche Aufgaben zu erledigen, wie sich selbst zu ernähren oder sich die Haare zu bürsten.

Es ist das erste Mal, dass ein Affe – oder ein Mensch – direkt mit seinem Gehirn eine echte Armprothese steuert, sagt Krishna Shenoy , einem Neurowissenschaftler an der Stanford University, der nicht an der Forschung beteiligt war.

Menschen, die an Schlaganfällen oder Rückenmarksverletzungen oder an bestimmten neurodegenerativen Erkrankungen wie der amyotrophen Lateralsklerose (ALS) leiden, bleiben oft gelähmt. Aber ihre Großhirnrinde – die Teile des Gehirns, die Bewegung, Planung und andere Funktionen steuern – können weitgehend intakt bleiben. Wissenschaftler hoffen, dies mit der Entwicklung von Brain-Machine-Interfaces zu nutzen – Geräten, die Gehirnaktivitäten in Aktionen umwandeln, wie zum Beispiel die Bewegung eines Cursors auf einem Computerbildschirm.

Menschen, die vollständig gelähmt sind, können jetzt Gehirn-Maschinen-Schnittstellen verwenden, die nichtinvasiv Signale messen, die von der Oberfläche der Kopfhaut aufgezeichnet wurden, aber die Geräte sind langsam und erfordern eine anhaltende Konzentration, um zu funktionieren. Um eine Prothese herzustellen, die wie ein echter Arm funktioniert – der Benutzer denkt daran, seinen Arm zu bewegen, und er bewegt sich – erfordert höchstwahrscheinlich, dass die elektrische Aktivität direkt vom Gehirn aufgezeichnet wird.

Multimedia

  • Beobachten Sie, wie der Affe den Roboterarm benutzt, um sich selbst zu ernähren.

  • Sehen Sie, wie der Affe den Roboterarm manipuliert, damit er die Roboterhand lecken kann.

Dies ist in den letzten Jahren dank der Fortschritte bei den winzigen Elektrodenanordnungen möglich geworden, mit denen neuronale Signale aufgezeichnet werden. In früheren Forschungen, John Donogue und seine Kollegen von der Brown University zeigten, dass Elektroden, die in das Gehirn eines gelähmten Mannes implantiert wurden, verwendet werden können, um einen Cursor auf einem Computerbildschirm zu bewegen und sogar eine einfache Bewegung mit einem Roboterarm auszuführen. Diese und andere Forschungen beschränkten sich jedoch auf ein- oder zweidimensionale Bewegungen und wurden, abgesehen von einigen Fällen, bei denen ein mechanischer Arm oder Greifer verwendet wurde, virtuell auf einem Bildschirm durchgeführt.

In der neuesten Forschung unter der Leitung von Neurowissenschaftlern Andrew Schwartz an der University of Pittsburgh konnte der Affe eine kompliziertere Aufgabe ausführen. Andy ist noch einen Schritt weiter gegangen, zu einem praktischen Gerät, das in der realen Welt von Nutzen sein könnte, sagt John Kalaska , einem Neurowissenschaftler an der University of Montreal in Kanada, der einen Kommentar zur Veröffentlichung verfasste. Das Tier kann den Roboter einfach durch eine Art mentale Übung dazu bringen, sich dorthin zu bewegen, wo sich das [Futter] befindet, die Hand schließen, sie zurück zum Mund führen und es essen lassen.

Um das Kunststück zu vollbringen, ließen zwei Affen ein Gitter aus Mikroelektroden in den motorischen Kortex implantieren, einen Teil des Gehirns, der die motorische Planung und Ausführung steuert. Die Tiere waren zuvor darauf trainiert worden, einen anthropomorphen Roboterarm mit beweglichen Gelenken an Schulter, Ellbogen und Handgelenk mit einem Joystick zu bewegen. Um zu lernen, die Prothese mit ihrem Verstand zu steuern, wurden den Affen die Arme vorübergehend zurückgehalten, während sie zusahen, wie ein Computer den Arm durch die erforderlichen Bewegungen bewegte – um den Arm zum Stück Essen zu strecken, es zu greifen, zum Mund zu bringen und Lass es los. Sie stellen sich vor, die Aufgabe zu übernehmen, wie es Sportler für den Sport tun, sagt Schwartz. Die Neuronen sind aktiv, während sie die Bewegung beobachten, und dann können wir die [neuronalen Signale] erfassen und für unsere eigene Steuerung verwenden.

Schwartz und sein Team verwendeten relativ einfache Algorithmen, um die während der Beobachtungsphase aufgezeichneten neuronalen Aktivitätsmuster zu entschlüsseln und nutzten diese Informationen dann, um den Roboterarm in Echtzeit zu steuern. (Wissenschaftler können aus der Aktivität von Neuronenensembles im motorischen Kortex sowohl Richtung als auch Geschwindigkeit einer beabsichtigten Bewegung ableiten: Die Aktivität bestimmter Zellansammlungen gibt die Richtung an, während die Amplitude des Gesamtsignals die Geschwindigkeit vorgibt.)

Nach nur zwei Tagen Training lernten die Affen, den Arm in drei Dimensionen zu kontrollieren und den am Ende platzierten Greifer, der als Hand fungiert, zu steuern. Die Tiere lernten sogar, den Arm auf ungelernte Weise zu benutzen: Ein begleitendes Video zeigt, wie ein Tier mit dem Arm ein Stück Futter ins Maul schiebt. In einem zweiten Video führt der Affe den Greifer wieder an seinen Mund und leckt daran, wobei er ein weiteres Futterstück ignoriert. Er kann das Werkzeug so gut benutzen, dass er es vielleicht als Teil seines eigenen Körpers betrachtet, sagt Schwartz. Er vergleicht den Trainingsprozess damit, zu lernen, wie man mit einer Maus einen Computercursor steuert. Nach einer gewissen Lernzeit denkt man nicht mehr daran, wie man einen Muskel in einem Zeigefinger aktivieren muss, um die linke Maustaste zu drücken, sagt er. Auf diese Weise haben Sie den Cursor auf dem Bildschirm verkörpert.

Schwartz und seine Mitarbeiter testen die Technologie nun am Menschen. Der erste Testlauf, der erst letzte Woche begonnen wurde, findet bei einem Epilepsiepatienten statt, der sich einem diagnostischen Test unterzieht, der als Elektrokortikographie bekannt ist, bei dem Elektroden chirurgisch auf der Oberfläche des Gehirns platziert werden, um zu versuchen, die Quelle der Anfälle zu identifizieren. Die Oberflächenelektroden sind präziser als nichtinvasive Kopfhautaufzeichnungen und weniger invasiv als Elektroden, die in das Gehirn implantiert werden, obwohl sie ein gröberes Maß an Kontrolle bieten. Wissenschaftler werden diesen diagnostischen Test huckepack nehmen und versuchen, die von den Elektroden aufgezeichneten Signale zu verwenden, um ein Computerprogramm zu steuern.

Bei Erfolg werden die Forscher beginnen, die Technologie bei ALS-Patienten zu testen. Im Endstadium dieser Krankheit sind die Patienten vollständig gelähmt; ein gehirngesteuertes Computerprogramm könnte ihnen dabei helfen, grundlegende Dinge zu erledigen, wie zum Beispiel eine E-Mail zu schreiben. Wir glauben, dass dies ihnen eine Möglichkeit bieten könnte, schneller als bestehende Methoden mit anderen zu kommunizieren, sagt Schwartz. Wir hoffen, eine Benutzeroberfläche für eine mäßige Schreibgeschwindigkeit von etwa 30 bis 40 Wörtern pro Minute erstellen zu können.

Die Forscher wollen in den nächsten zwei Jahren vollständig implantierte Elektroden, wie sie beim Affen zur Steuerung des Roboterarms verwendet werden, am Menschen testen. Beim Menschen erwarte ich eine viel bessere Kontrolle, sagt Schwartz. Abgesehen davon, dass es einfacher zu trainieren ist, können Menschen hoffentlich erklären, was schwierig ist oder verbessert werden muss, sagt er.

Selbst wenn diese Tests erfolgreich sind, bleiben erhebliche Hürden, bevor solche Geräte routinemäßig bei Patienten eingesetzt werden können. Die derzeit verwendeten Elektroden sind nicht ideal für die Langzeitaufzeichnung: Die Signale verschlechtern sich mit der Zeit. Und letztendlich muss das gesamte System portabel und drahtlos oder zumindest benutzerfreundlich gemacht werden. Wir müssen es einfach genug machen, damit Patienten jederzeit üben können, anstatt dass ein Techniker ins Haus kommt und komplizierte Geräte aufstellt, sagt Schwartz. Wir hoffen, dass sich die Elektrodenanordnungen verbessern werden – von bioaktiven Beschichtungen bis hin zu Telemetrie. In zwei Jahren soll vieles da sein.

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