Reale menschliche Interaktionen messen
Die meisten sozialen Interaktionen spielen sich über koordinierte Bewegungen in Echtzeit und im realen Raum ab. Der Erforschung der dem Sozialverhalten zugrunde liegenden neuronalen und physiologischen Prozesse standen jedoch lange Zeit die begrenzten technischen Möglichkeiten im Labor und eingeschränkten Analyseinstrumente im Wege.
EEG für unterwegs
Das Projekt EMBRACE(öffnet in neuem Fenster) wurde mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführt und hatte zum Ziel, ein mobiles Elektroenzephalogramm-System (EEG) zu entwickeln, mit dem untersucht werden kann, wie Menschen in Bewegung interagieren. Das Gemeinschaftsunternehmen umfasste ein interdisziplinäres Team aus den biomedizinischen Ingenieurwissenschaften, aus der Informatik, den Neurowissenschaften und der Psychologie, das eng mit kommerziellen Partnern zusammenarbeiteten, um die Projektziele zu erreichen. Im Gegensatz zu traditionellen EEG-Systemen auf Gelbasis verfügt die EMBRACE-Lösung über trockene Flowerelektroden(öffnet in neuem Fenster), die nach ihrer blütenförmigen Anordnung benannt sind. Diese Elektroden wurden entwickelt, um die Signalqualität und den Komfort während der bis zu drei Stunden dauernden Experimente beizubehalten. Mit den flexiblen Pins wird das Eindringen in das Haar verbessert und wird die Hautkontaktfläche der Elektrode vergrößert, wodurch die Impedanz verringert und die Signalstabilität erhöht wird. Über die Anordnung der Pins wird der Druck gleichmäßig verteilt und somit der Tragekomfort verbessert. Neben neuartigen Materialien, dank derer die mechanische Widerstandsfähigkeit und die Langzeitleistung optimiert werden, ermöglichen diese Merkmale die Überwachung des Gehirns bei bewegungsintensiven Aufgaben. „Diese Innovationen öffneten die Tür zur Erforschung menschlicher Interaktionen auf eine viel natürlichere Weise als es bisher möglich war, wodurch die sozialen Neurowissenschaften bereichert werden“, erklärt Projektkoordinatorin Silvia Comani.
Synchronisierung mit anderen Geräten
Eine zentrale Innovation von EMBRACE bildete die Möglichkeit, mehrere unabhängige Aufzeichnungssysteme in Echtzeit zu synchronisieren. Das Team erfasste gleichzeitig Gehirnaktivität, Herz- und Lungensignale, Muskelaktivität und Ganzkörperkinematik von zwei interagierenden teilnehmenden Personen. Insgesamt wurden zehn Ströme neuronaler, physiologischer und die Bewegungen betreffender Daten(öffnet in neuem Fenster) aufgezeichnet und mit hoher zeitlicher Präzision aufeinander abgestimmt. Zu diesem Zweck reduzierte das Team die Anzahl der synchronisierten Geräte mithilfe sinnvoller Gruppierung. Die Geräte standen über eine zentrale Steuereinheit zur drahtlosen Datenübertragung, kontinuierlichen Überwachung und zum Abgleich in Verbindung. „Unseres Wissens nach waren wir die ersten, die einen derart komplexen multimodalen Aufbau entwickeln konnten“, betont Comani.
Soziale Interaktion in Echtzeit erforschen
Die neuen Technologien wurden in Form von Angesicht zu Angesicht stattfindenden Echtzeitexperimenten(öffnet in neuem Fenster) validiert. Die Beteiligten nahmen an kooperativen und kompetitiven Aufgaben wie Tischtennis teil, was es den Forscherinnen und Forschern ermöglichte, die Koordination zu beobachten, wie sie sich zwischen zwei Personen auf natürliche Weise entwickelt. Comani erläutert: „Bei der Untersuchung des sozialen Gehirns sollte die grundlegende Analyseeinheit die an der Interaktion beteiligte Dyade oder Gruppe sein.“ Im Rahmen des Projekts wurden multimodale Daten von 36 Dyaden erfasst, woraus ein einzigartiger, frei zugänglicher Datensatz erzeugt wurde. Die laufende Analyse dieser Informationen wird wichtige neuronale, kognitive, verhaltensbezogene und soziale Erkenntnisse über das Verhalten in der realen Welt ergeben. Ansätze der künstlichen Intelligenz werden außerdem dazu beitragen, die der sozialen Interaktion zugrunde liegenden Mechanismen zu entschlüsseln.
Zukünftige Schritte und Anwendungen
Mit der drahtlosen, hochauflösenden Aufzeichnung von Gehirn- und Körpersignalen im Verlauf echter Interaktionen hat das Team von EMBRACE einen bedeutenden Schritt zur Untersuchung des sozialen Gehirns in Bewegung statt Isolation unternommen. Gleichzeitig hat das stark auf Zusammenarbeit ausgerichtete Rahmenwerk die Forschungskapazitäten gestärkt und ein dauerhaftes europäisches Netzwerk zwischen Wissenschaft und Industrie erschaffen. Zu den unmittelbaren Anwendungsbereichen zählen intelligente Prothesen, Gehirn-Computer-Schnittstellen und Sportneurowissenschaften. Es ist zu erwarten, dass weitere technologische Verfeinerungen das Spektrum der möglichen Anwendungen des EMBRACE-Systems erweitern werden.
