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TU Berlin

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Forschung

Ohne Worte

Wenn der Computer uns intuitiv versteht

Thorsten Zander beim Versuch mit einer Probandin, deren Hirnströme der Computer misst und ihre „Vorhersagen“ interpretiert
Lupe

Die Versuche, die Dr. Thorsten Zander, Postdoc in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Klaus Gramann im Fachgebiet Biopsychologie und Neuroergonomie an der TU Berlin, in Zusammenarbeit mit Laurens Krol (TU Berlin) und Prof. Dr. Nils Birbaumer (Universität Tübingen) mit seinen Probanden durchgeführt hat, ähneln dem beliebten Kinderspiel „Topfschlagen“: Diese beobachten am Computer einen blinkenden Cursor, der randomisiert über ein Gitternetz mit 16 Punkten hüpft und in einer bestimmten Ecke landen soll. Der Proband trägt ein Netz mit mehreren Elektroden auf dem Kopf. Seine Hirnströme werden über ein sogenanntes Brain-Computer-Interface (BCI) – eine Schnittstelle, zwischen Gehirn und Computer – an eine spezielle Software in dem Computer übertragen, die diese analysiert und auswertet. Einzige Aufgabe des Probanden: dem Cursor beim ziellosen Hin-und-her-Hüpfen zuzusehen.

„Das spektakuläre Ergebnis: Je länger der Proband dem Spiel einfach zuschaut,desto schneller findet der blinkende Cursor sein Ziel. Benötigte er in der ersten Spielrunde im Schnitt noch 27 Sprünge, um sein Ziel zu erreichen, funktioniert das in den kommenden Runden im Schnitt mit 13 Sprüngen“, berichtet der studierte Mathematiker Dr. Thorsten Zander. Der Computer „lernt“ von dem Probanden, ohne dass dieser das überhaupt bezweckt – oder auch nur merkt. Das Gehirn der Probanden übermittelt – unbewusst – Informationen an den Computer, welche Bewegung „heiß“ ist und welche „kalt“. „Damit konnten wir erstmals nachweisen, dass ein passives Brain-Computer-Interface in der Lage ist, sogar unbewusste Hirnsignale aufzunehmen, zu analysieren und in eine verwertbare Anweisung für den Computer umzusetzen“, berichtet Thorsten Zander, dessen Ergebnisse jetzt in dem renommierten Journal „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS) veröffentlicht wurden. „Die Hirnströme, anhand derer der Rechner die Zielgenauigkeit der Cursor-Bewegung adaptiert, stammen aus dem medialen präfrontalen Kortex. Hier findet das sogenannte ,predictive coding‘ statt“, so Thorsten Zander. Das beschreibt die Eigenschaft des Gehirns, eine bestimmte Vorstellung von dem zu haben, was es umgibt, und davon ausgehend unablässig Vorhersagen zu treffen, was als Nächstes geschieht, um adäquat darauf reagieren zu können. So können Menschen zum Beispiel in Sekundenbruchteilen die Flugbahn einer hinunterfallenden Tasse vorausahnen und diese noch auffangen. „Schaut der Proband nun auf den blinkenden Cursor, den er nicht bewusst beeinflussen kann, und sieht, dass er sich in die ,heiße‘ Richtung bewegt, findet das Gehirn seine Vorhersage bestätigt, und das resultiert in einem bestimmten ,Peak‘ in seinen Gehirnströmen“, erläutert Thorsten Zander. Diese spezifischen Peaks werden von dem BCI erfasst und von einem bestimmten Algorithmus in Bewegungsvorgaben für den Cursor umgewandelt.

Dieser lernt aus den unbewussten Reaktionen des Gehirns, in welcher Richtung sein Ziel liegt. "Computertechnologie gibt es seit rund 60 Jahren“, so Thorsten Zander. „Die Leistungsfähigkeit der Computer ist in dieser Zeit exponentiell gewachsen, aber die Interaktion von Mensch und Rechner wird immer noch von dem Flaschenhals der Übermittlung menschlicher Intentionen an eine Maschine durch das Drücken von Knöpfen oder die Bewegung der Maus gebremst. In diesem Paper konnten wir erstmals zeigen, dass ein passives Brain-Computer-Interface nach einer entsprechenden Kalibrierungsphase nicht nur in der Lage ist, einfache Ja/Nein-Entscheidungen aus den Hirnströmen abzuleiten. Stattdessen kann es ein Modell komplexer Denkvorgänge aus den Hirnströmen rekonstruieren, um daraus verschiedene Informationen abzuleiten, die ein Computer eigenständig und ohne bewusstes Zutun des Menschen in Anweisungen für eine Maschine umsetzt“, so der Wissenschaftler. Das eröffnet völlig neue Möglichkeiten für die Interaktion: Schon jetzt schlagen Computer zum Beispiel häufig besuchte Webseiten vor. In Thorsten Zanders Vision könnte der Rechner künftig die Gehirnströme dahingehend analysieren, ob die aktuellen Peaks eher nach Online-Geschenke-Kaufen oder nach Arbeit aussehen. Möglichkeiten, die auch große ethische Auswirkungen haben könnten. Nicht zuletzt deshalb wird im Juli 2017 in Berlin eine große Konferenz zu neuroadaptiver Technologie stattfinden, deren Schwerpunkt unter anderem auf den ethischen Gesichtspunkten dieser Technik liegt. Bleibt noch die interessante Frage, ob ein Proband diese unbewussten Informationen, die sein Gehirn über das BCI an einen Rechner schickt, auch bewusst unterdrücken kann. „Genau damit beschäftigt sich mein nächstes Projekt, das soeben von der DFG bewilligt wurde“, so Thorsten Zander.


http://www.pnas.org/content/113/52/14898.abstract
neuroadaptive.org

Katharina Jung, "TU intern" 20. Januar 2017

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