Gehirn-Computer-Schnittstellen – Teil 1

Gehirn-Computer-Schnittstellen auf dem Weg vom Medizinlabor in die Anwendungspraxis – Teil 1

05/2022

 

Im Jahr 2077 könnten Gehirn-Computer-Schnittstellen so allgegenwärtig sein wie heute Smartphones: Wer seine kognitiven Fähigkeiten erweitern, Computersysteme mit Gedanken ansteuern und Prothesen intuitiv wie eigene Körperteile bewegen möchte, nimmt die Hilfe von „Cyberware“ in Anspruch. Dieses dystopisch anmutende Szenario malt jedenfalls das Computerspiel Cyberpunk 2077 an die Leinwand der Zukunft: Als Bewohner der Metropole «Night City» kann sich jeder mit einem Neuroimplantat im Frontalkortex und einem Cyberdeck ausstatten. Die Spieler sind dadurch in der Lage, sog. «Quickhacks» auszuführen: Diese infiltrieren gegnerische Netzwerke, um alle Personen und Geräte ausfindig machen, die damit verbunden sind. Das Arsenal der neuronalen Angriffe geht so weit, einem Gegner aus der Distanz Stromschläge zu versetzen, die Steuerung seiner Prothesen zu deaktivieren oder ihn gar zum «Selbstmord» zu treiben.

So futuristisch sich die virtuellen Welten in Cyberpunk 2077 auch präsentieren: Hinter der Technologie der Gehirn-Computer-Schnittstellen steht mehr als nur Science-Fiction. Bislang kommen sie primär als Medizinprodukte oder in der Forschung zum Einsatz – insbesondere um körperlich eingeschränkten Menschen (z. B. Paraplegiker) durch Sprachcomputer oder Prothesen Rehabilitationsleistungen zu erschließen. Unterdessen strömen auch die ersten Verbraucherprodukte auf den Markt. Als Teil der «Quantified Self» -Bewegung sind bspw. Kopfhörer verfügbar, die den Stress- oder Konzentrationslevel messen. EEG-basierte Schnittstellen ermöglichen es auch, Computerspiele zu steuern; pro futuro können sie gar die Spielerfahrung den emotionalen Reaktionen des Spielers anpassen.

Es finden sich auch Schnittstellen, die Arbeitnehmer im Bereich der Arbeitssicherheit und des Gesundheitsschutzes («Workplace Wellness, Safety & Productivity») unterstützen sollen. Optisch lassen sich die Geräte kaum von einem handelsüblichen Headset unterscheiden. Es entwickelt sich ein Milliardenmarkt mit erheblichem Wachstumspotenzial.

Neuere Varianten von Schnittstellen können nicht nur die neurologischen Signale der Nutzer auswerten, sondern auch gezielt Gehirnnerven stimulieren. Zudem lassen sich die individuellen Gehirnaktivitätsmuster jedes Menschen – wie Fingerabdrücke – als Authentifizierungsinstrument einsetzen. Auch interaktive Kunstprojekte, wie dasjenige des Künstlers Yehuda Duenyas, integrieren die neue Technik in ihr kreatives Instrumentarium: „The Ascent“ ermöglicht es Personen, in einem Klettergurt zu schweben und sich – basierend auf ihren Gehirnsignalen – auf und ab zu bewegen.

Die Forschung bringt derweil immer beeindruckendere Entwicklungen der Neurotechnologie hervor. So hat anlässlich der Fußball-WM 2014 in Brasilien ein Querschnittsgelähmter via Gehirn-Computer-Schnittstelle ein Exoskelett gesteuert und damit symbolisch den Anstoß ausgeführt. Auch Menschen mit einer Querschnittslähmung, die alle vier Gliedmaßen betrifft (Tetraplegiker), treten unterdessen mit Gehirn-Computer-Schnittstellen im virtuellen «Cybathlon» gegeneinander an. Besonders medienwirksam hat Elon Musk mit seinem Unternehmen Neuralink der Welt demonstriert, was alsbald Realität sein könnte: Es lässt Affen mithilfe ihrer Neuroimplantate «MindPong» spielen – mit dem erklärten Ziel, das Modell einer Fernsteuerung durch Denkleistung auf den Einsatz am Menschen zu übertragen.

Schenkt man der Trendforschung Glauben, gilt für Gehirn-Computer-Schnittstellen: «The sky is the limit». Künftig könnten Astronauten mit ihrer Hilfe Roboterarme bei Reparaturen verwenden, ohne einen Außenbordeinsatz durchführen zu müssen. Auch Smart-Home-Systeme oder gar humanoide Roboter lassen sich in Zukunft womöglich mit dem Gehirn steuern: Dann reicht ein Gedankenbefehl, damit der Hausroboter eine Pizza in den Ofen schiebt und im Arbeitszimmer serviert.

Das Ende der Fahnenstange ist aber auch damit noch nicht erreicht: Technik-Auguren spekulieren unterdessen darauf, dass Gehirn-Computer-Schnittstellen als Teil eines Cognitive Enhancement eine Art Mensch 2.0 hervorbringen oder die nächsten Generationen gar zu Cyborgs mutieren lassen könnten: Eine Schnittstelle kann die menschlichen kognitiven Fähigkeiten in bislang unbekannte Höhen schrauben, z. B. das Gedächtnis optimieren oder Informationen direkt aus dem Internet als globaler Wissensbibliothek herauslesen und in „Denkprozesse“ einspeisen. Transhumanisten träumen sogar davon, dass Menschen dank Neuroimplantaten mit Computern verschmelzen. Neuroimplantate koppeln sich dann mit einem KI-System, um rechenintensive Aufgaben auszulagern. Ebenso scheint die Vision am Horizont auf, dass Nanoroboter biologische neuronale Netze durch synthetische ersetzen und dadurch neue Verbindungen und Netzwerke bilden, welche drahtlos mit anderen (Gehirnen) kommunizieren könnten. Die Grenze zwischen technisch Möglichem und einer Extrapolation falscher Annahmen über den menschlichen Geist verschwimmt dabei aber zuweilen.

 

Erscheinungsformen von Gehirn-Computer-Schnittstellen

Technische Funktionsweise

So vielseitig die Funktionen und Einsatzgebiete der Technologie auch sind, so sehr folgen Gehirn-Computer-Schnittstellen einem einfachen technischen Bauprinzip: Sie verbinden das Gehirn mit einem Computer, z. B. mit einer mikroprozessorgesteuerten Prothese. Das zwischengeschaltete Kommunikationssystem erkennt die elektrophysiologischen Signale des Gehirns und übersetzt sie in Handlungsbefehle.

Da die Gehirnaktivitäten jedes Menschen individuell sind, muss das System die Signalmuster des Einzelnen in einem ersten Schritt lesen lernen. Seine Kernkomponente bildet daher die Software, die Gehirnsignale verarbeitet und dekodiert. Hinzu treten Apps, die z. B. neurologische Daten anzeigen und analysieren oder ihrem Nutzer Spiele anbieten.

Die Handlungsmuster und -richtungen der Schnittstellen lassen sich im Grundsatz drei Gruppen zuordnen: passiven (a), aktiven (b) und stimulierenden (c) Schnittstellen.

 

a Passive Schnittstellen

Passive Gehirn-Computer-Schnittstellen beschränken sich darauf, Gehirnaktivitäten zu messen, um sie anschließend einem Verhalten, mentalen Zustand oder der kognitiven Bewältigung einer Aufgabe zuzuordnen. Sie stehen vor der technischen Herkulesaufgabe, die Gehirnaktivitäten zu dekodieren und zu klassifizieren. Das System korreliert dafür gemessene neuronale Signalmuster mit einer Aktivität (z. B. dem Heben des linken Arms) oder mit einem neuronalen Zustand (bspw. Anzeichen eines epileptischen Anfalls, Stress oder Depressionen).

 

b Aktive Schnittstellen

Aktive Gehirn-Computer-Schnittstellen können Gehirnaktivitäten nicht nur analysieren, sondern auch eine Aktion in der Außenwelt auslösen. Sie sind etwa dazu in der Lage, eine Prothese am Körper einer Person zu bewegen oder eine Mitteilung durch einen Sprachcomputer auszugeben. Dafür muss der Nutzer ein spezifisches Gehirnaktivitätsmuster kognitiv (durch „Denken“) herbeiführen. Die aktive Schnittstelle dekodiert dieses (wie eine passive Gehirn-Computer-Schnittstelle) und löst darauf aufbauend den gewünschten Vorgang (z. B. eine Armbewegung) aus.

 

c Stimulierende Schnittstellen

Anders als aktive erzeugen simulierende Gehirn-Computer-Schnittstellen elektrische Impulse „nach innen“, um bestimmte Gehirnareale – und dadurch spezifische Gehirnaktivitäten – zu beeinflussen, etwa mit dem Ziel, Muskelzittern (Tremores) bei der Parkinson-Krankheit oder Anfällen bei Epilepsiepatienten vorzubeugen. Ähnlich wie aktive Gehirn-Computer-Schnittstellen induzieren auch hier spezifische neurologische Signalmuster diese Impulse. Ein Hauptanwendungsfall ist die sog. Deep Brain Stimulation: Sie versetzt dem Gehirn – ähnlich wie ein Herzschrittmacher – elektrische Impulse und lindert dadurch die Symptome mancher Krankheiten, wie Parkinson, Epilepsie oder Depressionen.

 

Bidirektionale Gehirn-Computer-Schnittstellen gehen noch einen Schritt weiter, indem sie die Fähigkeiten aktiver und stimulierender Gehirn-Computer-Schnittstellen kombinieren: Sie stimulieren den Nutzer, um ihm eine Rückmeldung zu einer Aktion zu geben, die er mithilfe einer aktiven Gehirn-Computer-Schnittstelle ausgelöst hat. So kann eine bidirektionale Schnittstelle bei einer Person, die eine Handprothese nutzt, taktile Empfindungen ersetzen und dadurch den Tastsinn simulieren. Der Nutzer kann fühlen, dass er etwas in der Hand hält und das Gewicht des Gegenstandes einschätzen. Das versetzt ihn in die Lage, seine Prothese intuitiv und mit präziser Feinmotorik zu steuern.

 

Nichtinvasive Methoden versus Neuroimplantate – verbesserte Reha oder Mensch 2.0?

Um eine Gehirn-Computer-Schnittstelle zu nutzen, ist es nicht zwingend notwendig, operativ in das menschliche Gehirn einzugreifen. Auch nichtinvasive Methoden, wie z. B. die Elektroenzephalographie (EEG), können Gehirnsignale über die Schädeldecke messen. Eine erwünschte Stimulierung lässt sich ebenfalls von außen durch den Schädel hindurch ins Werk setzen, bspw. mittels transkranieller Magnetstimulierung oder Gleichstromstimulation.

In Zukunft werden aber voraussichtlich Neuroimplantate – als invasivste Form der Schnittstelle – das Bild prägen. Sie bestehen aus zwei Komponenten: Mikroelektroden, die in das Gehirn eingeführt werden, und einem Neurochip, der am Schädel angebracht ist. Dessen Aufgabe ist es, die neurologischen Signale aufzunehmen und (vor) zu verarbeiten; bei Deep Brain Stimulation generiert er das Muster der elektrischen Impulse, die dann die Mikroelektroden abgeben. Er kann auch mit anderen Geräten kommunizieren – etwa mit einer Armprothese, die Gehirnaktivitätsmuster in die Außenwelt transformiert, oder einem Computer, der die neurologischen Daten analysiert und speichert.

Den Reigen der technischen Möglichkeiten, um organische Denk- mit elektronischen Rechenprozessen zu verbinden, erweitern zahlreiche hochexperimentelle Innovationen aus den Forschungslaboren. So tüfteln Wissenschaftler z. B. an Mikrosensoren, die via Ultraschall neurologische Daten übertragen (sog. Neural Dust) oder „Brain-to-Brain-Interfaces“, mit deren Hilfe sich mehrere Nutzer verbinden und so miteinander kooperieren können.

 

IT-Sicherheit von Gehirn-Computer-Schnittstellen

Hippokrates hat einmal pointiert: „Die Menschen sollten wissen, dass aus nichts anderem als dem Gehirn Freuden, Wonnen, Gelächter, Spott sowie Kummer, Leid, Verzweiflung und Wehklagen hervorkommen“. Zu Beginn des 21. Jahrhunderts liest sich die Aussage wie eine prophetische Warnung an potenzielle Nutzer einer Gehirn-Computer-Schnittstelle. Denn so segensreich das Leistungspotenzial der Technologie auch anmutet: Sie ist dem Risiko eines Angriffs von außen in gleicher Weise ausgesetzt wie jedes andere informationstechnische System. Es ist nur eine Frage der Zeit, bis sich Gehirn-Computer-Schnittstellen als sensibles Angriffsziel entpuppen.

Die Dystopie, andere Menschen durch neuronale Manipulation graduell fernzusteuern – bis hin zum Selbstmord wie im Computerspiel Cyberpunk 2077 – liegt zwar noch in ferner Zukunft. Doch bereits heute bestehen zahlreiche Angriffsvektoren mit zum Teil erheblichem Schadenspotenzial. Bei jeder Gehirn-Computer-Schnittstelle muss IT-Sicherheit daher von Anfang an mitgedacht werden, um die Vertraulichkeit, Integrität und Verfügbarkeit neurotechnologischer Produkte (Neurosecurity) zu gewährleisten.

 

Sicherheitslücken

  • Allgemeine Gefahren der IT-Sicherheit von Medizinprodukten

Schon bisher müssen Hersteller ihre Medizinprodukte zwar in der Regel eingehend prüfen, bevor sie in den Verkehr gelangen. Dennoch befinden sich in nahezu jedem System Schwachstellen, die sich kompromittieren und für Cyberangriffe ausnutzen lassen. Erst kürzlich hat das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnologi (BSI) mehrere vernetzte Medizinprodukte überprüft: Bei allen Produkten entdeckte es – zum Teil gravierende – Sicherheitslücken. Hacker haben wiederholt unter Beweis gestellt, dass sie sich die Kontrolle über sensibelste Medizinprodukte, wie Herzimplantate, verschaffen können. Ist z. B. ein Fernzugriff vorgesehen, öffnet sich unweigerlich ein Tor für einen unbemerkten und unbefugten Zugriff. Aus diesem Grund hat bspw. der ehemalige US-Vizepräsident Dick Cheney seinen implantierten Kardioverter-Defibrillator modifizieren lassen, um einem Cyberangriff durch Terroristen vorzubeugen.

Angriffspunkte bietet aber nicht nur das Gerät selbst, sondern auch die digitale Infrastruktur, in die es eingebettet ist. Denn zwischen den IT-Systemen medizinischer Einrichtungen und den dort verwendeten Medizinprodukten bestehen Wechselwirkungen: Eine unsichere Gehirn-Computer-Schnittstelle kann ein Einfallstor in die gesamte IT eines Krankenhauses öffnen.

  • Neurosecurity

Während sich beschädigte klassische Computersysteme typischerweise durch neue austauschen lassen, können Schäden an Gehirn-Computer-Schnittstellen irreversible Folgen zeitigen: Der Angreifer kann nicht nur ein technisches Gerät, sondern mittelbar auch die körperliche sowie mentale Integrität und Gesundheit des Nutzers schädigen. Die anfallenden neurologischen Daten teilen zudem wichtige Gemeinsamkeiten mit genetischen Daten: Ihnen wohnt ein hoher prognostischer Gehalt für menschliches Verhalten inne; sie legen intime Details frei, welche die betroffene Person häufig nicht einmal selbst kontrollieren kann. Unbefugte Dritte könnten so Einblicke in emotionale Zustände und ggf. in das neurologische Krankheitsbild eines Nutzers erhalten, die auf anderem Wege nicht beobachtbar sind.

 

Mario Martini, Carolin Kemper: Cybersicherheit von Gehirn-Computer-Schnittstellen; International Cybersecurity Law Review; 2022

https://doi.org/10.1365/s43439-022-00046-x

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.de

Zur einfacheren Lesbarkeit wurden die Quellenverweise und Fussnoten entfernt.

 

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