Wie erreicht Chinas nichtinvasive Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie „Gedankentypisierung“?

Im Mai 2023 gab es eine Neuigkeit, die vielen Freunden vielleicht aufgefallen ist. Forscher der Tianjin-Universität in unserem Land haben eine leistungsstarke Gehirn-Computer-Schnittstelle namens „Ultra-Large Instruction Set and High-Speed“ entwickelt, ein nicht-invasives Gehirn-Computer-Schnittstellensystem, das auch den Weltrekord für den größten Befehlssatz einer nicht-invasiven Gehirn-Computer-Schnittstelle aufgestellt hat.

Nachdem sie die vorherigen Nachrichten gelesen hatten, fragten einige Freunde: Was ist der Nutzen von „supergroßem Befehlssatz“ und „nicht-invasiv“? Tatsächlich wissen viele Freunde, dass es sich bei der Gehirn-Computer-Schnittstelle um die Herstellung eines direkten oder indirekten Verbindungspfads zwischen dem menschlichen Gehirn und externen Geräten handelt, der die Kommunikation zwischen Gehirn und Maschine ermöglicht. Um es ganz klar auszudrücken: Es geht darum, die Gedanken Ihres Gehirns zu analysieren und in Anweisungen umzuwandeln, die direkt an die Maschine übermittelt werden. Natürlich gibt es noch eine andere Art von Gehirn-Computer-Schnittstelle mit Eingabefunktion, die externe Informationen in das Gehirn einspeist.

Ob Input oder Output, es kann in invasive und nicht-invasive Formen unterteilt werden. Die invasive Methode ist leicht verständlich. Vereinfacht ausgedrückt wird dabei eine Elektrode in das Gehirn implantiert. Ähnliches haben wir in vielen Science-Fiction-Filmen gesehen. Nachdem die Elektroden implantiert wurden, können sie die neuronalen elektrischen Signale des Gehirns erfassen und diese Signale dann analysieren, um ungefähr zu wissen, was Sie denken. Dann werden Ihre Gedanken kodiert und übertragen und in Anweisungen an die Maschine umgewandelt.

Der andere Typ ist nicht-invasiv und erfordert keine Implantation. Es sammelt Signale außerhalb des Gehirns, wie beispielsweise ein EEG der Kopfhaut, und analysiert diese dann, um herauszufinden, was Sie denken. Wir verkaufen online auch gehirngesteuerte Spielzeugautos, die sich durch Gedanken vorwärts oder rückwärts bewegen lassen. Möglicherweise stellen Sie jedoch fest, dass sich das Auto nicht vorwärts bewegt, wenn Sie daran denken, vorwärts zu fahren, und nicht rückwärts bewegt, wenn Sie daran denken, rückwärts zu fahren. Es kann sein, dass das Auto vorwärts fährt, wenn Sie an etwas Bestimmtes denken. Beispielsweise fährt das Auto vorwärts, wenn Sie an „Aubergine“ denken, und rückwärts, wenn Sie an Kartoffeln denken. Dreht es sich also im Kreis, wenn man über die drei frischen Gemüsesorten nachdenkt? Sie müssen es ausprobieren, um es zu wissen.

Natürlich handelt es sich hierbei um ein Spielzeug und es ist ziemlich grob. Das Prinzip besteht jedoch darin, Informationen über Ihre Gehirnaktivität außerhalb Ihres Kopfes zu sammeln. Allerdings weist diese nichtinvasive Gehirn-Computer-Schnittstelle auch gewisse Nachteile auf. Es ist schwierig, große Mengen an Informationen oder präzisere Angaben zu erhalten und die Übermittlung von Informationen unterliegt gewissen Beschränkungen. Denn im Vergleich zu invasiven Methoden erfassen sie elektrische Signale von Nerven direkt aus dem Gehirn, was direkter ist. Nicht-invasive Methoden erfolgen außerhalb, nicht so direkt und etwas weiter entfernt. Daher versucht man ständig, EEG-Signale genauer zu identifizieren und die Menge an Informationen zu erhöhen, die pro Zeiteinheit extrahiert und übertragen werden können. Denn wenn die Informationsmenge pro Zeiteinheit zu gering ist, wird es für mich schwierig sein, Ihre Gedanken jederzeit zu analysieren. Wenn Sie an eine Kartoffel denken, würde ich denken, dass Sie Fortschritte machen.

Diese wissenschaftliche Forschungsleistung der Universität Tianjin besteht darin, einen extrem großen Befehlssatz zu verwenden, um komplexere und präzisere Befehle zu übertragen und mehr Informationen pro Zeiteinheit zu übertragen. Dahinter steckt natürlich auch die präzise Erkennung und Unterscheidung von EEG-Signalen. Um es ganz klar auszudrücken: Es erleichtert die Nutzung nichtinvasiver Gehirn-Computer-Schnittstellen.

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Das ist tatsächlich sehr sinnvoll, denn wenn wir davon sprechen, dass invasiv Elektroden im Gehirn platziert werden, besteht immerhin ein gewisses Risiko, es sei denn, es ist unbedingt notwendig. Soll ich mir eine Elektrode ins Gehirn implantieren, nur um mit einem ferngesteuerten Auto zu spielen? Niemand spielt es so. Aber die nicht-invasive Methode ist anders. Ich muss nur etwas tragen, ein tragbares Gerät verwenden. Dies erweitert den Anwendungsbereich von Gehirn-Computer-Schnittstellen erheblich. Wie wir bereits von der Virtual-Reality-Technologie (VR) sprechen, vermittelt sie uns das Gefühl, dass das Spielerlebnis großartig, real und immersiv ist. Aber der Grund, warum jeder es spielen und verwenden möchte, liegt darin, dass man nur einen Helm und eine Brille tragen muss. Wenn man sich zum Spielen von VR-Spielen ein Loch in den Kopf bohren muss, werden nicht viele Leute damit spielen, egal wie gut das Erlebnis ist oder wie immersiv es ist. Daher lassen sich nicht-invasive Gehirn-Computer-Schnittstellen leichter in unser Leben integrieren.

Das Team nutzte diese Technologie auch, um „Mind Typing“ zu demonstrieren. Das sogenannte „Mind Typing“ wurde tatsächlich von vielen Menschen untersucht. Das bedeutet, dass Sie nicht mit Ihren Händen tippen, sondern nur mit Ihrem Gehirn denken, und die Wörter kommen dann heraus. Einige davon stellen sich den Tippvorgang vor, und andere verwenden eine blinkende virtuelle Tastatur, wie beispielsweise Newlink von Musk, aber seins ist invasiv. Es gibt auch das Mindtyping, das erkennt, an welche Buchstaben Sie denken, indem es sich den Schreibvorgang vorstellt. Im Jahr 2021 veröffentlichte jemand einen Artikel in Nature. Durch die gedankliche Vorstellung des Buchstabenschreibens wurde die Erkennung mit einer Genauigkeit von 99 % dargestellt. Dies ermöglicht einigen gelähmten Patienten das Schreiben durch Denken und die Eingabegeschwindigkeit ist auch sehr hoch. Allerdings ist auch dies ein invasiv und erfordert die Implantation von Elektroden. Es wäre großartig, wenn es sich um nicht-invasives Mind-Typing handeln würde. Viele von uns verwenden heute die Spracheingabe, aber in Zukunft werden wir vielleicht die Gedankeneingabe nutzen, also einfach denken und tippen. Um diese Ziele zu erreichen, müssen allerdings noch viele technologische Durchbrüche erzielt werden.

Tatsächlich hat das Team der Universität Tianjin jetzt ein vollwertiges, nicht implantierbares Gehirn-Computer-Informationsinteraktionstechnologiesystem aus Chips, Elektroden und Algorithmen bis hin zu Systemen im Inland entwickelt. Die drei Kernindikatoren EEG-Erkennungsgenauigkeit, Anzahl der Steueranweisungen und Informationsübertragungsrate haben das höchste internationale Niveau erreicht. Dieser von chinesischen Wissenschaftlern erstellte Rekord zeigt auch, dass unsere wissenschaftlichen Forschungskapazitäten immer stärker werden. Ich glaube an die Zukunft und an die Entwicklung der Technologie. Nichtinvasive Gehirn-Computer-Schnittstellen werden nach und nach in unser Leben Einzug halten und chinesische Wissenschaftler werden in dieser Hinsicht weitere Beiträge leisten.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor: Zhang Yuzhi

Gutachter: Ye Sheng (Professor an der Universität für Luft- und Raumfahrt Peking)

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.