OpenWater: Ein revolutionäres tragbares Open-Source-MRT- und BCI-Gerät

Als ich 2018 zum ersten Mal Mary Lou Jepsens TED-Vortrag auf OpenWater sah, verliebte ich mich sofort in die Technologie. Als ich der Präsentation zuhörte, fiel mir eine Szene aus „ Minority Report “ ein, in der kurz über die Technologie gesprochen wurde. In der Szene liegen Precogs in einer Badewanne und träumen sich Zukunftsvisionen aus, die dann mithilfe von Licht aus ihren Gehirnen gelesen werden. Wie absurd, dachte ich. Licht kann kein Gehirngewebe durchdringen. Wie könnte es möglicherweise zum Lesen von Gedanken verwendet werden? Nun, Jepsens Vortrag zeigte, dass Licht tatsächlich nicht nur durch das Gehirngewebe, sondern sogar durch den Schädel dringen kann. Das Problem ist, dass es so stark streut, dass es völlig unbrauchbar wird. Hier kommt die brillante Technologie von OpenWater ins Spiel …

Jepsen und ihr Team fanden eine Lösung, um Licht mithilfe von entsprechend strukturiertem Licht durch lebendes Gewebe zu fokussieren. Im Wesentlichen bauten sie ein Mikroskop, dessen Linsensystem aus Fleisch und Knochen besteht. Es klingt seltsam. Aber genau das ist es. Sie können in den menschlichen Körper hineinschauen, indem sie das lebende Gewebe selbst als Teil des Systems betrachten. Jepsen demonstriert dies wunderbar in ihrem TED-Vortrag, in dem sie ein Stück Gewebe in den Weg eines Lasers legt und dennoch anstelle von Streulicht ein fokussierter Punkt an der Wand erscheint. Um zu verstehen, wie dies möglich ist, schauen wir uns Jepsens Patent an.

Auf der linken Seite des Diagramms befindet sich ein „Hologrammprojektor“ (110), bestehend aus einem Lasersender (105/103) und einem Spezialdisplay (113). Diese Anzeige passt die Phase der durch sie hindurchtretenden Lichtstrahlen entsprechend an. Aber warum wird er „Hologrammprojektor“ genannt?

Der Kern der Hologramm-Technologie besteht darin, dass sie nicht die Intensität der Lichtstrahlen auf einer Fotoplatte erfasst, sondern deren Phase. Während bei diesem Prozess Farbinformationen verloren gehen, treten die Lichtstrahlen, wenn wir sie mit demselben Laser beleuchten, der für die Aufnahme verwendet wurde, genau in der Phase aus, wie sie beim realen Objekt auftreten würden. Deshalb nehmen wir das Hologramm als dreidimensional wahr. In Jepsens Patent spielt die Anzeige die gleiche Rolle wie die Fotoplatte in einem Hologramm, aber während die Fotoplatte statisch ist, ist diese Anzeige dynamisch. Im Gegensatz zu herkömmlichen Hologrammen sind diese Hologramme für das menschliche Auge unverständlich. Sie bieten jedoch die Möglichkeit, Licht durch menschliches Gewebe zu fokussieren. Es ähnelt dem Platzieren einer Linse vor einem verschwommenen Bild, um ein klares, fokussiertes Bild zu erhalten, nur dass die Linse hier aus menschlichem Fleisch und Knochen besteht.

Auf der rechten Seite des Diagramms ist eine „holografische Kamera“ (160) dargestellt, die sich von einer herkömmlichen Kamera dadurch unterscheidet, dass sie ein „Hologramm“ aufnimmt. Das bedeutet, dass er wie der Projektor die Phase des Lichts und nicht dessen Intensität aufzeichnet. Die Funktionsweise des Systems ähnelt stark der Aufzeichnung eines herkömmlichen Hologramms auf einer Fotoplatte mithilfe eines Referenzlasers. Allerdings gibt es hier anstelle einer Fotoplatte ein Bildpixelarray (170). Dieser Aufbau ermöglicht es der Kamera, die nuancierten Phaseninformationen des Lichts zu erfassen.

In der Mitte, markiert als „diffuses Medium“ (130), befindet sich das menschliche Gewebe, das wir beobachten wollen. Dies ist das Medium, auf das das Hologramm projiziert wird, und es wird kalibriert, bis die Gewebe im beobachteten Bereich das Licht fokussieren. Das aus dem Gewebe austretende Licht wird von der Kamera erfasst und daraus die notwendigen Informationen gewonnen. Kurz gesagt, so funktioniert Jepsens Mikroskop (aus Fleisch und Knochen gebaut). Wer an einem tieferen Verständnis des Systems interessiert ist, dem empfehle ich die Lektüre der Patente . (Ich hatte auch einen ausführlicheren Artikel zu dem Thema aus dem Jahr 2019.)

Mit diesem genialen Gerät können wir Bilder des menschlichen Körpers mit einer Auflösung erstellen, die der eines MRT überlegen ist, und es sind keine riesigen Magnete und teuren Geräte erforderlich. Das Tool von Jepsen ist erschwinglich, für jedermann zugänglich und passt in eine Box in der Größe eines Mobiltelefons oder kann sogar den ganzen Tag über in unsere Kleidung integriert werden. Aber warum sollte jemand den ganzen Tag ein MRT-ähnliches Gerät tragen wollen?

Wissen Sie, was die wahre Behandlung von Krebs ist? Nein, es handelt sich nicht um ein spezielles Medikament, sondern um eine Früherkennung. Krebs beginnt sein bösartiges Leben als eine abtrünnige Zelle. Es wächst ruhig und ist lange Zeit ziemlich harmlos. Das Problem besteht darin, dass es sich heimlich und unbemerkt im menschlichen Körper ausbreitet und es oft schon zu spät ist, wenn es entdeckt wird. Wenn sich jeder täglich mit einem MRT untersuchen könnte, könnten wir Krebs rechtzeitig erkennen, bevor er Schaden anrichtet, und so verhindern, dass jemand daran stirbt. Dies gilt jedoch nicht nur für Krebs. Viele schwere Krankheiten können bei frühzeitiger Erkennung gut behandelt werden. Angesichts der häufigsten Todesursachen könnte ein solches System fast jedem eine längere und bessere Lebensqualität bieten. Daher ist die Entwicklung von OpenWater nicht nur ein Werkzeug, sondern eine vollständige Reform des Gesundheitswesens, die Jepsen und ihr Team das „Silicon Hospital“ nennen.

Was OpenWater im Gesundheitswesen bietet, ist faszinierend, doch meine Begeisterung für diese Technologie liegt woanders. Wer meine Artikel regelmäßig liest, weiß , dass ich ein großer Fan von Brain-Computer Interfaces (BCIs) bin . Ich glaube, dass nach dem Internet und der Mobilkommunikation (und vielleicht der VR-Revolution) die BCI-Revolution die nächste große technologische Revolution sein wird. OpenWater stellt hierfür eine vielversprechende Lösung dar, da sein Gerät eine Beobachtung des Gehirns auf Neuronenebene ermöglicht, und zwar auf nicht-invasive Weise (keine Operation erforderlich, anders als beispielsweise bei Neuralink). Derzeit laufen Experimente, um Träume , visuelle Bilder oder menschliche Sprache anhand von fMRT-Daten zu rekonstruieren. Diese Experimente sind sehr vielversprechend, erfordern jedoch, dass der Patient in einer großen Röhre (dem fMRT-Gerät) liegt. Jepsens Technologie würde dies durch eine einfache Kappe ersetzen. Stellen Sie sich eine Netzmütze vor, die unsere Träume im Schlaf aufzeichnen kann.

Eine weitere sehr spannende Möglichkeit besteht darin, sich auf das Rückenmark statt auf das Gehirn zu konzentrieren. Denken Sie einmal darüber nach: Alle Informationen von unserem Gehirn zum gesamten Körper laufen über ein „Drahtbündel“ von etwa 4 Quadratzentimetern Durchmesser (das Rückenmark). Das Gehirn steuert dadurch unsere Gliedmaßen, unsere Organe und unseren gesamten Körper. Wenn wir diese Informationen interpretieren können, können wir gelähmten Menschen möglicherweise die Gehfähigkeit wiederherstellen oder eine virtuelle Realität für sie schaffen, in der sie ein erfülltes Leben führen können. Da dies ein kleinerer Bereich als das gesamte Gehirn ist, ist die Beobachtung möglicherweise viel einfacher als die Beobachtung des gesamten Gehirns, und die Möglichkeiten sind faszinierend.

Noch spannender ist die Möglichkeit, dass wir mit fokussiertem Licht nicht nur in den menschlichen Körper blicken, sondern auch Veränderungen in ihm herbeiführen können. Wenn sich in unserem Körper beispielsweise bereits Krebs entwickelt hat, können wir Licht verwenden, um Krebszellen zu zerstören, oder lichtaktivierte Toxine abgeben, die nur auf die Krebszellen abzielen. Ebenso können wir Neuronen mit Licht aktivieren und so nicht nur das Lesen von Gedanken, sondern auch die Projektion von Bildern direkt ins Gehirn ermöglichen. Es klingt wie Science-Fiction, nicht wahr?

Im Jahr 2008 startete DARPA sein Next-Generation Nonsurgical Neurotechnology (N3) -Programm. Eines der im Rahmen dieses Programms unterstützten Projekte ist das MOANA-Projekt der Rice University , das darauf abzielt, visuelle Telepathie zu erreichen. Das Projekt erhielt 18 Millionen US-Dollar von der DARPA. Die Lösung, ähnlich dem Ansatz von OpenWater, würde Licht verwenden, um den Zustand des Gehirns zu lesen, und Magnetfelder, um Neuronen zu aktivieren. Dazu müssten jedoch Vektorviren und Gentechnik eingesetzt werden, um Gehirnzellen so zu verändern, dass sie durch Magnetfelder aktiviert werden können. Dieser letzte Teil klingt vielleicht nicht so verlockend, ist aber vielleicht auch nicht notwendig. Mit der Technologie von OpenWater könnte möglicherweise Licht allein ausreichen, um sowohl auf Neuronen zu schreiben als auch von ihnen zu lesen.

Was auch immer die Siegertechnologie sein mag, es ist klar, dass viele die Brain-Computer-Interface-Technologie (BCI) sehr ernst nehmen und Millionen von Dollar in ihre Entwicklung investieren. Dies ist kaum überraschend, da eine solche Technologie möglicherweise Blindheit heilen, Prothesen direkt in das Gehirn integrieren oder sogar vollständig immersive Virtual-Reality-Erlebnisse ermöglichen könnte. Vielleicht könnten genau die Technologien, die aktuelle Forscher für bessere VR-Headsets entwickeln (wie Miniaturdisplays mit höherer Auflösung, dedizierte Prozessoren usw.), in Zukunft verwendet werden, um Bilder mithilfe von Lasern direkt in unser Gehirn zu projizieren. Diese Verschmelzung von fortschrittlicher Bildgebung und Neurotechnologie könnte nicht nur das Gesundheitswesen, sondern auch die Art und Weise, wie wir mit der Technologie selbst interagieren, revolutionieren.

Man könnte meinen, dass jemand, der über eine so bedeutende Technologie verfügt, deren Details als streng gehütete Geheimnisse hütet und den Zugang nur für beträchtliche Geldsummen ermöglicht. OpenWater wählte jedoch einen anderen Weg: Im Januar 2024 gaben sie bekannt, dass sie die Technologie Open Source veröffentlichen würden, einschließlich Hardware-Blaupausen, Quellcodes, Patente, Messdaten usw. Es ist schwierig zu bestimmen, was revolutionärer ist: die Technologie selbst oder die Philosophie und das Geschäftsmodell dahinter. Dieser Ansatz beschleunigt nicht nur die Innovation, indem er es anderen ermöglicht, auf der Technologie aufzubauen und sie zu verbessern, sondern demokratisiert auch den Zugang, was möglicherweise zu weit verbreiteten Anwendungen in verschiedenen Bereichen führt, die über das Gesundheitswesen und die Computertechnik hinausgehen.

Wenn Sie Forscher, Entwickler, BCI-Experte oder einfach nur jemand sind, der sich für Technologie interessiert, können Sie auf GitHub und der Website des Unternehmens auf alles zugreifen. Ich möchte jeden, dessen Fachgebiet auch nur ein wenig mit OpenWater zu tun hat, dazu ermutigen, die Materialien durchzusehen und zur Entwicklung der Technologie beizutragen. Dies ist wirklich ein Durchbruch, der eine Veränderung in der gesamten Menschheit herbeiführen könnte.

Mir ist klar, dass das Jahr 2024 gerade erst begonnen hat, aber wenn das hält, was OpenWater verspricht, dann wage ich zu behaupten, dass Jepsen die Show gestohlen hat. Die Bereitstellung von OpenWater als Open-Source-Lösung könnte durchaus die wichtigste technische Ankündigung des Jahres 2024 sein.