Geist-gesteuerten Geräten zeigen zukünftige Möglichkeiten

Diese 4-teilige Serie veröffentlicht zeitgleich mit Brain Awareness Week , hebt Investitionen von der technischen Direktion von der National Science Foundation entwickeln Rand Werkzeuge und Technologien, die unser Verständnis des Gehirns voranbringen wird.

Ein Team von Wissenschaftlern und Ingenieuren an der University of Minnesota gibt neue Bedeutung an das alte Sprichwort: "Mind over Matter."

Unter der Leitung von Bin He, Ph.d., Direktor der biomedizinischen Functional Imaging und Neuroengineering Labor, hat das Team eine nicht-invasive Gehirn-Computer-Interface (BCI) geschaffen, die eines Tages wiederherstellen könnte, Mobilität und Unabhängigkeit für Menschen mit amputierten Gliedmaßen, Lähmungen und andere Beeinträchtigungen, die Vermeidung oder Begrenzung von normalen Bewegung. Mit Hilfe dieser Schnittstelle wurden freiwillige in der Lage, genau den Flug des simulierten und kleine Modellhubschrauber mit nur ihren Köpfen zu steuern.

Während Gedankenlesen klingt eher wie Science-Fiction als Wissenschaftstatsache, haben Forscher diese Art von Technologie für die letzten Jahrzehnte verfolgt. Die jüngsten Fortschritte haben Querschnittsgelähmte Patienten einen Rollstuhl zu kontrollieren, essen Schokolade und trinken Kaffee, ohne einen Finger zu rühren.

Die erfolgreichsten BCIs so weit entwickelt sind diejenigen, die sich im Gehirn chirurgisch implantierten Elektroden verlassen. Deshalb, weil die elektrische Aktivität, die durch einen einzigen Gedanken erzeugt extrem schwach ist: je weiter Sie kommen aus dem Signal, desto wahrscheinlicher, dass es durch das stetige Summen der Aktivität im Gehirn übertönt wird.

Der Nachteil ist, dass dieser Ansatz unglaublich invasiv ist. Die medizinischen Risiken im Zusammenhang mit Hirn-OP und chronische Gehirn-Implantate sind nicht unbedeutend, besonders für Personen, deren Gesundheitszustand durch eine Verletzung oder Lähmung bereits gefährdet ist.

Nun stell dir vor, wenn ein nicht-invasive Ansatz könnte das gleiche knackige Signal, macht es möglich für Einzelpersonen zu navigieren und interagieren mit der Umwelt ohne Gehirn Chirurgie ergeben.

Er und seine Kollegen ist das ultimative Ziel.

Im Jahr 2011 ist er Team zeigte, dass es freiwillige ausgestattet mit einer speziell entwickelten Kappe mit Elektroenzephalographie Sensoren, die einen virtuellen Helikopter in Echtzeit mit nur ihre Köpfe fliegen konnte.

Elektroenzephalographie ist seit Jahrzehnten, aber bis vor kurzem konnte es nur zum Aufzeichnen der Aktivität des Gehirns verwendet werden. Es konnte die hohe Auflösung notwendig, effektiv zu entschlüsseln, was bedeutete, dass die Signale nicht bieten. Seit mehreren Jahren ist er Team begann Paarung diese Aufnahmen mit anderen Technologien, einschließlich der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT). Durch die Kombination der Informationen zur Verfügung gestellt von den unterschiedlichen Technologien die Forscher in der Lage konnten zu erkennen die einzelnen Signale mit besserer Auflösung, die es ermöglichen, sie zu entschlüsseln.

In der Studie 2011 wurden freiwillige gebeten, einen virtuellen Hubschrauber durch eine Reihe von Ringen zu steuern, die auf dem Bildschirm vor ihnen erschien. Die Ermittler wollten herausfinden, wie gut die Sensoren beabsichtigten Bewegung erkennen konnte. Die Freiwilligen flog die virtuellen Hubschrauber durch mehr als 85 Prozent der Ringe, ein Kunststück, das er sagt, ist sehr ermutigend.

"Meines Wissens, war dies das erste Mal hatte jemand einen nicht-invasive Ansatz verwendet, um Bewegung in drei Dimensionen zu simulieren", sagt er. "Wie Sie sich vorstellen können, waren die Ergebnisse sehr spannend für uns."

Er ist für seine jüngsten Experiment Team hat draufgelegt, die computersimulierte Hubschrauber mit kleinen, ferngesteuerten ARDrone Quadcopter zu ersetzen.

In diesem Experiment mussten freiwillige schnell und kontinuierlich durch zwei abgehängte Schaumstoffsicken so oft wie möglich innerhalb von vier Minuten zu fliegen. Die Freiwilligen geleitet der Quadcopter basierend auf video Feedback eine nach vorn gerichtete Kamera montiert auf dem Rumpf.

"Wir wollten zeigen, dass es möglich war, einem echten Gerät steuern bewegt sich in Echtzeit und Raum," sagt er.

Im Mai 2012 auf dem Weltkongress für medizinische Physik und biomedizinische Technik, vorgestellten Ergebnisse sind vergleichbar mit den virtuellen Hubschrauber gesehen. Themen waren in der Lage, so viele wie fünf aufeinander folgenden Pässe und erfolgreich durch mehr als 74 Prozent der Ringe in der vier-Minuten Zeit zu fliegen.

Er sagt, dass der Grund, warum, den das Team konzentriert hat, auf fliegenden Hubschrauber im Gegensatz zu, sagen, controlling einen Rollstuhl oder eine Prothese bewegen zwei-Fach.

Einerseits der Hubschrauber dient als ein "Beweis des Konzeptes, die eine nicht-invasive BCI werden können verwendet, um ein multi-dimensionales System Steuern", sagt er. Das heißt, ist der Hubschrauber eine einfache Möglichkeit zu zeigen, dass die BCI in der Tat funktioniert.

Aber noch wichtiger ist, hofft er, dass mit dem Hubschrauber, statt ein Hilfsgerät hilft Menschen zum Nachdenken über die breite Palette von Anwendungen, die diese Technologie haben könnte.

Eine qualitativ hochwertige nicht-invasive BCI die natürlichen Fähigkeiten der Fachleute wie Piloten und Chirurgen, und bietet gleichzeitig neue Herausforderungen und Chancen für Sportler und Video-Gaming-Enthusiasten ergänzen könnte, sagt er.

"Eine offensichtliche Anwendung dieser Technologie für Personen, deren Bewegungen durch Verletzung oder Krankheit gefährdet sind", sagt er. "Die Realität ist, dass dies möglicherweise auch die Lebensqualität für Menschen in der allgemeinen Bevölkerung steigern könnte."

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Anmerkung der Redaktion: Die Forschung in diesem Artikel dargestellt wurde unterstützt durch die National Science Foundation , die Bundesagentur mit der Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik beauftragt. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material spiegeln nicht notwendigerweise die Ansichten von der National Science Foundation. Siehe die hinter die Kulissen-Archiv.