Der Avatar als Personal Trainer

Können Computer Gedanken lesen? Wie surft man "mit Gedankenkraft" durchs Internet? Wie könnten virtuelle Avatare unsere Lern- oder Arbeitsprozesses individuell beeinflussen? Selina C. Wriessnegger von der TU-Graz hat die Antworten.

Ass. Prof. Dr. Selina C. Wriessnegger vom Institut für Neurotechnologie der TU-Graz ist Expertin für Gehirn-Computer-Schnittstellen (Brain Computer Interface, kurz: BCI). Die gebürtige Klagenfurterin erforscht neue Anwendungsfelder für BCI- Systeme (für gesunde Personen), und interessiert sich für die neuronalen Grundlagen der Bewegungsvorstellung (Forschung, die ALS-Patienten im "Locked In State" aber auch in der Rehabilitation von Schlaganfallpatienten zu Gute kommt) und der unbewussten visuellen Informationsverarbeitung. Derzeit entwickelt die Wissenschaftlerin eine besonders spannende BCI-Anwendung: Ein virtueller Avatar könnte Lern- oder Arbeitsprozesse als „Personal Trainer“ individuell begleiten, erleichtern und verbessern, indem er Aufschluss über die momentanen Aufmerksamkeitszustände und Belastungen der NutzerInnen rückmeldet.

WIENERIN: Was versteht man unter einer klassischen „Gehirn-Computer-Schnittstelle“ - auf Englisch „Brain Computer Interface“ (kurz: BCI)?

Selina C. Wriessnegger: Eine klassische Gehirn-Computer-Schnittstelle stellt eine Verbindung zwischen Gehirn und Computer dar und erzeugt durch Messung von Gehirnströmen, die durch mentale Vorstellung beeinflusst werden können, Steuersignale.

Hirnstrommessung und Verarbeitung der Daten zu Steuersignalen. Das hört sich nach Science Fiction an. Wie funktionieren BCIs genau?

Mittels Elektroenzephalografie (kurz: EEG =eine mit Sensoren ausgestattete Elektrodenkappe, die einfach aufgesetzt werden kann, Anmerkung) messen wir Gehirnströme. BCIs sind Systeme, die Gehirnsignale mittels Computeranalyse in Millisekunden in Steuersignale umwandeln. Der Computer lernt, dass gewisse Gehirnsignale gewisse Bewegungen oder gewisse Kognitionen bedeuten. Diese Signale können dann für verschiedenste Dinge wie Anstellen eines Computers, Rollstuhls oder eine Neuroprothese verwendet werden Vielleicht wäre ein kleines Beispiel hilfreich: Die Gehirnsignale kann man durch verschiedene Denkmuster beeinflussen; das Denken an eine Handbewegung liefert andere Muster als das Denken an eine Melodie. Man erhält dann zwei verschiedene Muster, die der Computer lernen muss voneinander zu unterscheiden. Gelingt ihm das, dann kann man z.B. den Cursor am Bildschirm nach rechts oder nach links steuern.

Was bedeutet „mentale Vorstellung“ in diesem Zusammenhang?

Wenn wir denken oder sprechen sind in verschiedenen Arealen des Gehirns Neuronen aktiviert. Je nachdem, was wir tun, kann man bestimmte Muster im Gehirn detektieren. Beim klassischen BCI muss der oder die AnwenderIn an etwas Bestimmtes (typischerweise an eine Bewegungsvorstellung) denken, das Gehirn „bekommt einen Auftrag“ damit dort ein bestimmtes Muster entsteht. Das klappt nicht immer auf Anhieb und muss trainiert werden. Wenn ich mir jetzt beispielsweise eine rechte oder linke Handbewegung vorstelle, macht das BCI nichts anderes als dieses spezielle Muster im Gehirn als „typische Aktivierung für eine Handbewegungsvorstellung“ in Echtzeit zu detektieren in Folge in ein Steuersignal um zusetzten.

Kann man mit einem BCI Gedanken lesen?

Nein. Das wäre eine Fehlinterpretation. Man kann Gedanken weder lesen noch umsetzten. Das BCI erkennt bestimmte Muster im Gehirn wenn ich denke. Wenn ich mir also eine rechte oder linke Handbewegung vorstelle, kann der Computer das in Echtzeit erkennen und in ein Steuersignal umwandeln. Man könnte auch mit einem BCI einen Computer mittels mentaler Vorstellung anstelle einer Maus steuern.

Wie und von wem werden klassische BCI-Systeme heute hauptsächlich genutzt?

Klassische BCI-Systeme sind oft speziell entwickelte Patientenanwendungen und ersetzen ein Stück weit körperliche Funktionen. Das Wesentliche dabei ist, dass PatientInnen mit Bewegungseinschränkungen BCIs ohne fremde Hilfe und großen, technischen Aufwand auch von zu Hause aus nutzen können: Locked-In-PatientInnen nutzen BCI-Systeme zur Kommunikation mit Verwandten und Betreuungspersonal. Auch können PatientInnen, die beispielsweise im Rollstuhl sitzen und nicht mehr die Möglichkeit haben, ein Glas zu greifen, mittels BCI eine Neuroprothese ansteuern und das Glas greifen. Wichtig ist, dass die Systeme noch Prototypen sind und nicht einfach im Geschäft zu kaufen. Die PatientInnen die diese Systeme nutzen machen dies meist im Rahmen eines Forschungsprojektes.

Mit Gedankenkraft komponieren

Es gibt auch spezielle Anwendungen von BCIs, die PatientInnen ermöglichen „per Gedankenkraft“ zu schreiben, zu malen und zu komponieren …

Korrekt. ALS-PatientInnen (Amyotrophe Lateralsklerose = schwere Erkrankung des motorischen Nervensystems) nutzen speziell entwickelte BCI-Systeme sogar zum Malen (Brain Painting). Wir vom Institut für Neurotechnologie der TU Graz, haben dazu ein Pendant geschaffen, den Brain Composer: Mit diesem speziellen BCI-System kann man mit Gedankenkraft ein Musikstück komponieren. Es ist ein Komponier-Prozess mit Noten, die man am Monitor auswählen kann. Das Prinzip könnte man so beschreiben: Der Brain Composer lässt verschiedene Optionen (Noten, Akkorde, Pausen) auf dem Bildschirm aufblitzen, der oder die NutzerIn fokussiert auf die gewünschte Option und verursacht damit eine minimale Veränderung der Gehirnströme. Das System erkennt diese Komponente und setzt sie um, indem es die gewünschte Note auf einem Notenblatt festhält.

Sie forschen gerade an ganz neuen Anwendungen von BCIs, die nicht nur von PatientInnen genutzt werden können, sondern ganz allgemein, die Mensch-Maschine-Interaktion verbessern könnten.

Wir verwenden passive BCI-Systeme, die die Gehirnaktivität kontinuierlich in einem bestimmten Kontext, beispielsweise bei einem Lernprozess, messen.

Was ist ein „passives Brain Computer Interface“? Und worin genau liegt der Unterschied zum klassischen Brain Computer Interface?

Beim klassischen BCI werden Gehirnsignale immer in gewissen zeitlichen Abständen detektieret und in Steuersignale umgewandelt. Der oder die NutzerIn müssen dem Gehirn aktiv dafür „einen Auftrag erteilen“. Beim passiven BCI wird die Gehirnaktivierung – beispielsweise während eines Lern- oder Arbeitsprozesses - durchgehend gemessen. Es ist eine Art Monitoring bei der momentane Aufmerksamkeitszustände und kognitive Belastungen der Nutzer anhand ihrer Gehirnaktivität aufgezeichnet und in Echtzeit rückgemeldet werden.

Der Lernprozess in der augmented reality

Wie kann man sich die Nutzung eines passiven BCI bei einem Lernprozess nun konkret vorstellen?

Der oder die NutzerIn muss nichts anders tun, als beim Lernen eine EEG-Haube/Headset und eine spezielle Brille zu tragen. Der oder die UserIn hat dann einen Avatar vor sich, der ihn/sie als eine Art „Personal Trainer“ durch den Lernprozess begleitet. Der Lernprozess findet in der augmented reality statt. Das ist ohnehin schon sehr spannend.Durch kontinuierliche Messung der Gehinaktivität führt das passive BCI-System eine Art Monitoring über die mentalen Zustände des/der NutzerIn durch. Es erkennt, wenn der/die NutzerIn müde wird oder gestresst ist und schlägt eine Bewältigungsstrategie vor. Etwa, die Lerninhalte zu wiederholen oder eine Pause einzulegen.

Warum “spüren” wir nicht selbst, wenn wir müde oder gestresst sind? Wozu braucht es ein passives BCI-System, das uns überwacht und reguliert?

Natürlich wissen wir selbst, wann wir müde werden oder mental überfordert sind. Nur sind wir meist nicht "freiwillig" bereit, gleich eine Pause zu machen, weil man dies und das noch schnell fertig machen möchte oder Zeitdruck besteht. Erst wenn es gar nicht mehr geht, machen wir dann Pause. Das BCI System, also die EEG Signale die Müdigkeit oder Überforderung anzeigen, würden mittels BCI erkannt und das System würde unmittelbar eine Reaktion setzen; wie z.B. während der Lernsituation passt sich das System den gegenwärtigen Zustand an, wird langsamer, macht mehr Wiederholungen oder im Falle von Müdigkeit geht es in den Standby Modus.

Welche Vorteile hat das für den/die NutzerIn?

Der Lernprozess wird in Abhängigkeit mit dem mentalen Zustand der/des NutzerIns individualisiert und durch das Starten von selbstregulativen Mechanismen bei Stress und Müdigkeit erheblich verbessert. Des weiteren kann immer und überall gelernt werden. Das heißt: Ich muss nicht zu einem bestimmten Zeitpunkt an einen bestimmten Ort fahren sondern kann das System bequem zu Hause starten und jederzeit lernen.

Auch Technostress könnte mit einem passiven BCI reduziert werden …

Das funktioniert nach demselben Prinzip: Das passive BCI-System detektiert im Gehirn Muster für Technostress (die Form von Stress, die etwa das Abstürzen eines Computerprogramms bei AnwenderInnen auslöst, Anmerkung) und reagiert augenblicklich mit einer Bewältigungsstrategie: Etwa dem Abspielen von Entspannungsmusik.

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