Gedankensteuerung: Wie Brain-Computer-Interfaces die Kommunikation revolutionieren

Brain-Computer-Interfaces (BCIs) sind die Schnittstelle, an der die Menschmaschine Wirklichkeit wird: Sie nehmen Gehirnimpulse direkt an der Schädeldecke oder sogar - bei invasiven Lösungen - im Gehirn selbst ab und verarbeiten sie zu computerlesbaren Eingabebefehlen. Während die Technologie bisher vor allem Forschungsgegenstand in der Medizin war, ist nun ein Massen-Markteintritt nahe gerückt. Experten glauben, dass etwa im Gaming und Entertainment schon in drei Jahren oder weniger breite Käuferschichten erreicht werden können. Von dort aus wird die Technologie auf andere Industrien abstrahlen. Denn die Potenziale von Brain-Computer-Interfaces sind hoch: Im Gamingsektor würde funktionierenden und erschwinglichen Anwendungen hohe Attraktivität zukommen - besonders vor dem Hintergrund erfolgreicher, alternativer Eingabeinstrumente wie der Bewegungssteuerung bei Nintendos Wii   und noch mehr bei Microsofts Kinect  . Auch der Automobilbereich, Schwerindustrie und Marketing werden profitieren können - sowie alle anhängigen Software-Entwickler, da mit funktionierender Interface-Hardware der Bedarf an originellen Anwendungen exponential wachsen wird. BCIs haben gegenüber heutigen Eingabesystemen wie Keyboards, Touchscreens oder auch der kinetischen Bewegungssteuerung mehrere entscheidende Vorteile, aus denen ihr großes Potenzial erwächst:

• Schnelligkeit:
  Dadurch, dass Gehirn und Computer direkt miteinander verbunden sind, fällt der langsamste Schritt in der Dateneingabe weg: die Motorik, also jener zeitaufwändige Schritt, bei dem wir mit unserem Körper, meist mit den Händen, unsere Gedanken und Wünsche in ein Interface eingeben müssen.
• Multitasking:
  BCIs eröffnen einen zusätzlichen Eingabekanal. Ergänzend zu Händen und Füßen kommt die neurologische Ebene hinzu. Bedeutet: Ein Autofahrer könnte mit einer Hand lenken, mit der anderen die Scheibenwischer betätigen, Gas und Kupplung mit den Füßen bedienen und mittels BCI eine weitere Aufgabe ausführen - etwa das Radio leiser stellen oder die Warnblinkanlage einschalten, weil er in einen Stau fährt. Komplexe Maschinen können effektiver gesteuert werden, weil der Bediener gewissermaßen einen imaginierten, dritten Arm hinzu gewinnt, mit dem er Eingaben tätigen kann.
• Intuitive Eingabe::
  BCIs erlauben unwillkürliche Eingaben - in dem Moment, da ein Arbeiter, der einen riesenhaften Kohlebagger steuert, Stress-Symptome zeigt, kann ein BCI die entsprechenden Gehirnsignale auslesen und automatisch handeln: Das Tempo drosseln, ablenkende Reize ausschalten oder einen Kollegen zur Unterstützung herbeirufen. Der Mensch am Interface muss sich nicht mal des Befehls bewusst sein, den er über die Empfindung Müdigkeit abgibt, was Prozesse zusätzlich beschleunigt.
• Automatische Eingabe:
  Fahren wir auf einer freien Autobahn oder bewegen wir die Figur in einem Videospiel einfach nur längere Strecken vorwärts, so schaltet unser Gehirn auf Autopilot: Ein Fahrer, der kilometerweit stur geradeaus fährt, denkt nicht mehr: "Ich halte das Lenkrad ruhig, gebe nicht mehr oder weniger Gas und fahre geradeaus, geradeaus, geradeaus..." Und ein Videospieler hält einfach nur den entsprechenden Steuerungsbutton gedrückt. Solche längerfristig gleichförmig bleibenden Befehle kann ein BCI auslesen - damit werden die Hände des Fahrers/Spielers wiederum für andere Tätigkeiten frei.
• BCIs sind Datenlieferanten:
  Die Steuerung über ein BCI liefert dem Computer deutlich mehr Daten als der bloße Klick oder die Bewegungen eines Mauszeigers. Zusammenhänge auf mentaler Ebene, die einer bestimmten Entscheidung vorausgehen, können ausgelesen und zur Systemoptimierung oder Marktforschung verwendet werden. Die Bild-Zeitung   hat dieses Potenzial nach einem Bericht der SZ Online   erkannt und steckt Probanden in EEGs, die die Gehirnströme bei der Lektüre verfolgen. Der Verlag möchte so herausfinden, was im Kopf eines Menschen vorgeht, der unterschiedliche Überschriften, große Bilder oder gewisse Reizwörter zu sehen bekommt.

Wie Brain-Computer-Interfaces funktionieren

Die grundlegende Technologie für BCIs findet sich aktuell vor allem in der Medizin: Gelähmte Menschen können mittels BCI Apparate bewegen, Schlaganfallpatienten können daraufhin untersucht werden, welche Teile ihres Gehirns Aktivität verzeichnen und welche nicht. Dabei nutzen BCIs Elektroenzephalografie  . Auf der Kopfhaut angebrachte Sensoren können sogenannte Potenzialschwankungen im Cortex, der äußeren Hirnrinde, messen. Das ist in etwa so, als ob man eine elektrische Spannung misst: Der Kopf eines Menschen wird mit zahlreichen Sensoren verkabelt, die im Hirn frei werdende Spannungen aufnehmen können. Nun nimmt man eine andere Stelle am Kopf als Referenzpunkt - eine Stelle unter der sich kein Gehirn befindet und an der demnach auch keine Spannung freigesetzt wird: Die Nase oder einen Punkt unterhalb des Ohres etwa. Was zwischen dem Referenzpunkt und den Sensoren an messbarer Spannung hin- und herfließt, fällt je nachdem anders aus, was gerade im Gehirn für eine Tätigkeit abläuft. Das Ballen einer Faust produziert ganz eigene, individuelle Energieschwankungen als das Bewegen der Füße.

Doch BCIs übersetzen nicht einfach Gedanken in Handlungen und Bilder. Ein Arzt oder Ingenieur muss den denkenden Menschen und die Impulse empfangende Maschine erst miteinander synchronisieren. Der Arzt sagt etwa einem Patienten er möge intensiv daran denken, eine Faust zu ballen. Dann liest er das Profil der hin- und herfließenden Spannungen mittels BCI aus und programmiert eine elektrische Armprothese darauf, wann immer dieses spezielle Messergebnis vorliegt, die Bewegung des Faustballens auszuführen. Es ist gewissermaßen, wie einen Joystick zu kalibrieren: Eine Synchronisation von eingehenden Signalen mit bestimmten maschinellen Handlungen wird vorgenommen.

Natürlich kann jeder Gedanke auch für eine beliebige andere Handlung zweckenfremdet werden: Man kann einen ans BCI angeschlossenen Menschen bitten, ans Ballen einer Faust zu denken - das dabei entstehende "Energiemuster" aber auch dem Schlag eines Flipperhebels zuordnen. Dann können gelähmte Patienten, wie in einem Gemeinschaftsprojekt des Berlin Brain-Computer Interface   und der TU Berlin   mittels Gedankenkraft einen Flipperautomaten steuern. Sich mittels Gedankenkraft bewegende Roboter oder Spielgeräte sind ein beeindruckender Beweis dafür, was BCI-Technologie heute bereits zu leisten vermag - jedoch gibt es noch eine Vielzahl von Herausforderungen, die den praktischen, alltäglichen Einsatz der Gehirn-Maschine-Schnittstelle erschweren.

Was noch nicht geht: Probleme der Brain-Computer-Interfaces

BCIs haben noch ein paar Pferdefüße, denen sich die Forschung aktuell mit besonderer Sorgfalt widmet - der technische Fortschritt wird ebenfalls seinen Beitrag dazu leisten, BCIs präziser und erschwinglicher zu machen. Noch sind die Mensch-Maschine-Schnittstellen aber nicht ohne weiteres für die Massenanwendung außerhalb der Forschung verwendbar. Und das hat Gründe.

• Funktionierende BCIs sind noch vergleichsweise teuer.
  Der Hersteller Emotive   bietet derzeit ein BCI und eine Handvoll Programme an, die sich damit bedienen lassen - der Preis für ein Exemplar liegt bei etwa 700 Dollar. Ein hoher Preis - der aber nicht mehr allzu weit von Regionen entfernt ist, in denen es spannend wird für den Mainstream. Noch im Versuchsstadium ist die Telepathiesteuerung des Autos, an der die Autonomos-Labs   arbeiten:
• Das Usability-Problem:
  Dieses Problem hat gleich mehrere Facetten. So sind für die Verwendung außerhalb der Medizin nur nicht-invasive Techniken der Signalabnahme denkbar. Sprich: Es ist undenkbar, Geräte herauszubringen, für die der Schädel des Nutzers aufgebohrt werden muss. Die nicht-invasiven Modelle (wie die Kontaktkappe im Titelbild dieses Artikels) liefern jeodch eine deutlich schwächere Signalqualität, da die Gehirnimpulse durch die Schädeldecke hindurch gemessen werden müssen. Das erfordert teure Verstärkertechnologie. Obendrein sind sich überlappende Signale nur schwer zu trennen - so liegt der Bereich des Gehirns, der den Ellbogen bewegt, direkt neben dem, der die Handfläche steuert. Um sich überlappende Signale trennen zu können, ist eine umfangreiche Kalibrierung und Installation von aufwändigen BCIs notwendig. Bis zur Gedankenkappe mit Plug-and-Play-Funktion ist es noch ein Stück - Denken funktioniert eben deutlich einfacher als Gedankensteuerung.
  

  Bild: online.tugraz.at
  "Wir arbeiten im Forschungsbetrieb mit bis zu 120 Sensoren, die am Kopf des Patienten angebracht werden", sagt Gernot Müller-Putz von der Technischen Universität Graz  . "Da dauert allein die Montage des BCIs schon anderthalb Stunden." Komplexe Bewegungen erfordern jedoch nicht nur so viele Sensoren - sondern auch entsprechend mehr Training. Bis ein Nutzer eine umfangreichere Armbewegung aus Strecken, Beugen, Drehen und Greifen meistert, können schon mal Stunden der Kalibrierung und des Trainings vergehen. Zusätzlich müssen Sensoren heute noch immer mit einem Leitgel bestrichen werden. Was bedeutet, dass man nach dem Tragen eines BCIs mit 120 Kontaktpunkten erstmal duschen gehen muss, um den Schleim aus den Haaren zu waschen. "Im Moment tauchen die ersten Headsets auf, die ohne Gel auskommen", sagt Müller-Putz: "Es gibt etwa Modelle, die mit Wasser arbeiten. Das trocknet dann hinterher einfach an der Luft. Im Moment ist das die Hauptkomponente für eine Durchsetzung der BCIs: Die Firma, die die besten Trocken-Elektroden oder nicht gel-basierende Elektroden hinbekommt, wird das Rennen machen."

Welche Branchen von BCIs profitieren können - und wann

Trotz dieser Hindernisse: In die BCI-Technologie wird schon in den nächsten paar Jahren viel Bewegung kommen, zeigt sich Klaus Robert Müller von der Technischen Universität Berlin   überzeugt: "Es wird nicht mehr lange dauern, bis BCIs Einzug in die Computerspiele-Branche halten - ich weiß von ersten Unternehmen, die konkret daran arbeiten. Ich bin sicher, dass die Gaming-Industrie die erste Branche sein wird, die BCIs im Mainstream adaptiert. Noch deutlich vor der Medizin!"

Die Verwirklichung eines funktionierenden BCIs zu einem bezahlbaren Preis wird dem Mainstream-Markteintritt außerdem einen Turbo einbauen - mit dem ersten gelungenen Modell, höchstwahrscheinlich im Bereich Gaming, werden andere Unternehmen und Branchen folgen, die BCIs für sich entdecken. Momentan wird versucht, Pferdefüße der BCIs, wie undeutliche Signale und Mess-Unschärfen noch rein hardwareseitig aufzufangen. Doch sobald ein breiteres Entwicklerinteresse an den Interfaces entsteht, werden ausgefeilte Softwares auf den Markt kommen - von der Entertainment-App bis zur komplexen Neuromarketing-Lösung. Diese Lösungen werden dann Probleme auf der Messebene softwareseitig ausgleichen können: "Das Schöne und Vielversprechende daran ist, wie kreativ die Welt wird, sobald eine neue Technik auf den Markt kommt. Und wie viele Menschen so etwas dann mit Leben füllen", prognostiziert Klaus Robert Müller : "Nehmen sie Smartphones. Das sind im Grunde nur Telefone, doch was sie so besonders und nützlich macht, sind die Apps. Heerscharen von Programmierern erschaffen da nützliche und weniger nützliche Programme. Mit dem Markteintritt der BCIs wird eine ähnliche Kreativleistung freigesetzt werden." Das bedeutet: In den kommenden fünf bis zehn Jahren wird sich auf dem Feld der Brain-Computer-Interfaces viel tun - in einigen Sektoren werden konkrete Anwendungen sogar schon deutlich eher ankommen.

Wo Brain-Computer-Interfaces künftig zur Anwendung kommen werden
Gebiet	Anwendung	Probleme	Dauer bis Markt- reife	Tritt ein zu ...%
Medizin Bild: Microsoft	Im medizinischen Sektor dienen BCIs zum einen der Gewinnung von Daten aus den Hirnregionen: In der Rehabilitation lässt sich so feststellen, ob bestimmte Therapien in bestimmten Hirnregionen wirklich in Form von steigender Aktivität anschlagen. Gelähmte Patienten können auch wieder einfache Tätigkeiten ausführen, bei denen mittels BCI gesteuerte Prothesen die Gliedmaßen substituieren. Auch die Steuerung von Robotern mit beweglichen Webcams ist möglich und erlaubt ans Bett gefesselten Patienten die Erkundung von Häusern oder die Teilnahme an Gesprächen in anderen Zimmern.	Obwohl die medizinische Verwendung ein stark geförderter Sektor und ein Schwerpunkt der BCI-Forschung ist, ist sie auch die komplizierteste: Medizinische Lösungen brauchen für die Marktreife aufwändige und langwierige Studien und Untersuchungen, damit sie am Markt zugelassen werden. Anders als in allen anderen Anwendungsgebieten sind hier aber auch invasive Interfaces möglich - also direkte Kontaktstellen auf der Hirnrinde/am Gehirn. Das ermöglicht bessere Fortschritte und präzisere Eingaben, weil die Signalqualität stärker und reiner ist.	Fünf bis zehn Jahre	95
Gaming Bild: Kölnmesse	Einfache Anwendungen wie das Bewegen von Spielfiguren in einem Labyrinth oder sogar Malprogramme funktionieren bereits heute. BCIs können aber weit jenseits des Gimmick-Effektes einen Beitrag zu Spielerlebnissen leisten. Denn sie stellen einen zusätzlichen Eingabekanal dar und erlauben noch realistischere oder komplexere Spielarchitekturen: Anstatt vorwärts auf dem Steuerkreuz zu drücken, stellt sich der Spieler vor, zu laufen. Das sorgt nicht nur für Realismus - dadurch wird eine Hand für die Eingabe von anderen Befehlen wie "schießen", "umsehen", "benutzen" frei.	Aktuell ist die Technologie noch schwierig zu konfigurieren - je anspruchsvoller die Aufgabe, desto intensiver muss ein BCI kalibriert werden. Außerdem sind wirklich funktionsfähige BCIs im Gaming mit Preisen von 500 Dollar und gerne auch mehr noch eine Spur zu teuer für den Massenmarkt. Doch schon bald wird mit dem Aufkommen besserer Verstärkertechnologien eine Lösung für Kalibrierung und Kosten gefunden werden.	Die Gamingindustrie wird BCIs als erste einführen: erste hochpreisige Interfaces existieren schon, bis zu einem breiten Markteintritt: maximal drei Jahre	95
Automobilindustrie Bild: SXC.hu/Alexander Abolinsh	Zukünftige Technologien werden erkennen, ob ein Fahrer reizüberflutet oder müde ist, um ihn in seiner Fahrleistung zu unterstützen oder zu warnen. Signalisieren die Gehirnimpulse Stress, so kann das Automobil automatisch die Radiolautstärke drosseln, um eine Ablenkungsquelle zu eliminieren. Signalisieren die Hirnströme die Gefahr einer anstehenden Kollision, so kann ein BCI den motorischen Akt des Bremsetretens überspringen und eine Sofortbremsung auslösen. Ermüdet der Fahrer messbar, so kann ihm das Auto per Warnhinweis eine Pause nahelegen oder gar die Weiterfahrt unterbinden.	Für neurologische Notbremsen ist die Technologie noch nicht reif - aktuell könnte der Wagen eine Vollbremsung einleiten, obwohl sich der Fahrer nur auf die Zunge gebissen hat. Anders als beim Gaming wird der Durchschnittsautofahrer sich auch nicht mit einem Interface am Körper abfinden wollen - sprich: Kein Fahrer will eine Kappe auf dem Kopf. Eine mögliche Lösung des Problems: Mittels BCIs werden die Gehirnimpulse müder Menschen analysiert und mit anderen körperlichen Anzeichen abgeglichen. Wenn alle Autofahrer im fortgeschrittenen Ermüdungsstadium etwa zu Mikrolenkbewegungen neigen, so lässt sich das mittels Lenkrad erkennen - einem Eingabegerät, das sich bereits im Auto findet. Das BCI dient hier nur zur Sammlung von Daten, die Grundlage für innovative Automobilsysteme sind.	Drei bis fünf Jahre	80
Schwerin- dustrie Bild: Spyridon Natsikos	Sicherheit: Wie beim Auto liest ein Brain-Interface Signale aus, die auf eine Ermüdung des Bedieners einer schweren Maschine hindeuten, warnt vor steigendem Unfallrisiko oder bricht den Vorgang ab. Komplexe Steuerungsvorgänge gewinnen neben den Händen und Füßen einen weiteren Kanal hinzu: Der Bediener lenkt etwa weitgehend intuitiv mit Händen und Füßen einen Bagger, das Gehirn steuert die Schaufel.	Mit dem steigenden Verletzungsrisiko steigen auch die Ansprüche an die Serienreife der BCIs: Tests müssen bestanden, Zertifikate erworben werden. Das verlangsamt die Marktdruchdringung in Feldern, die nicht - wie etwa das Gaming - der Unterhaltung dienen.	Fünf Jahre oder mehr	70
Marketing Bild: Alfred Teske/PIXELIO	Im Neuromarketing können BCIs helfen zu verstehen, wie Stimmungslagen, Reize und (un)bewusste Entscheidungen in sichtbares Handeln übersetzt werden: Was passiert etwa vor dem Klick auf den Bestellbutton im Gehirn, was empfindet ein Konsument beim Anblick eines bestimmten Werbebanners? Das BCI ist hier vor allem ein Monitoring-Tool, das Daten zur Optimierung von Anzeigen und Kampagnen liefert.	Neben der kontrovers diskutierten ethischen Problematik (Darf man sowas?) stellt sich die Frage nach Genauigkeit und Verwertbarkeit gewonnener Daten: Anders als die bewusst getroffene und klar motivierte Entscheidung, eine Hand zu öffnen und zu schließen, liegt vieles an einer Kaufentscheidung im Dunkel des Unterbewussten.	Drei bis fünf Jahre	60
Wellness/Arbeitspsychologie Bild: Microsoft	Ähnlich wie in der Schlaganfallrehabilitation lässt sich prüfen, ob bestimmte Entspannungstechniken einen beruhigenden Effekt auf die Hirnaktivität haben. Mit den gewonnenen Daten lassen sich Ruhezustände schneller herbeiführen und mittelbar darauf aufbauend die Produktivität im Arbeitsalltag erhöhen. Mit zunehmendem Leistungsdruck ein Forschungsfeld von wachsender Relevanz.	Umfangreiche Erhebungen mit Probanden sind nötig, nicht so forschungsintensiv erschlossen wie etwa die medizinische Verwendung	Fünf Jahre oder mehr	60

In all diesen Branchen und Gebieten werden die dort tätigen Entwickler von Softwarelösungen mitprofitieren können. Denn sobald sich BCIs in einem Sektor durchgesetzt haben, wird es für den Siegeszug in anderen Bereichen oft nicht mehr brauchen, als eine überzeugende Anwendung - eine Killer-App, die das Zeug hat, BCIs zusätzlich auf weiteren Feldern zu etablieren. Für die weitere Zukunft der BCI-Technologie sind vor diesem Hintergrund vier verschiedene Szenarien denkbar.

Vier Szenarien für die Verbreitung von BCIs
Aktiv-Szenario	Neuromantik Neurologische Wege zur Computersteuerung halten Einzug von der Medizin bis hinunter in die alltägliche Smartphone-Technologie: Killer-Apps, vor allem aus dem Bereich Gaming, machen das Smartphone mit BCI-Schnittstelle zur heißen Ware. Die Entwicklung zuverlässiger Sensoren, die ohne große Kalibrierung auskommen, hat die Grundlage geschaffen. Eine unfreiwillig komische Kappe auf dem Kopf ist überflüssig geworden, da die Handytechnologie in Brillen integriert ist und somit die Sensoren unauffällig und ansprechend integriert werden können. BCI ist Mainstream. Wahrscheinlichkeit: 30 Prozent (geht man auf der Zeitachse jedoch 15 Jahre oder mehr in die Zukunft wächst die Tendenz deutlich: 50 und mehr Prozent)	Nischentechnologie BCIs sind ein Gadget im Gaming und werden allenfalls von Nerds genutzt - ansonsten interessiert sich nur die medizinische Forschung für das Prinzip der Gehirnsteuerung. Das Problem ist, dass Publikumsinteresse und Killer-Applikationen, die es entfachen könnten, gleichermaßen ausbleiben. Wahrscheinlichkeit: 20 Prozent
Passiv-Szenario	Der Ideen-Turbo BCIs ersetzen zwar nicht Keyboard und Touchscreen, doch mit dem Aufkommen erster funktionierender Lösungen in First-Mover-Märkten entsteht ein Ideen-Wettbewerb: Im Gaming überbieten sich die Entwickler mit Spielekonzepten und ausgefallenen Apps. Von dort ausgehend setzen sich BCIs in der Unterhaltungstechnologie, in Marketing und Industrie durch - oftmals werden die Interfaces jedoch nicht als kommunikative Eingabegeräte genutzt, sondern dienen dem Monitoring und der Datengewinnung. BCI-Technologie hat quasi ein Nutzer-Frontend (BCIs sind Teil des Produktes) im Gaming und ein Forschungsbackend für alle denkbaren Produkte, ohne dass BCIs selbst Teil der Ware sind. Wahrscheinlichkeit: 40 Prozent	Forschungstool BCIs sind künftig nur auf dem medizinischen Sektor anzutreffen. Die breite Publikumsakzeptanz bleibt aus und so kommt das Modell einer Gehirn-Computer-Schnittstelle nicht einmal auf dem Sektor des Gamings über das kurzlebige Gadget hinaus: Erste Produkte, die BCIs für Entertainment-Produkte nutzen, verschwinden bald wieder mangels Erfolg vom Markt. Wahrscheinlichkeit: 10 Prozent
	Best-Case-Szenario	Worst-Case-Szenario