Computer-Gehirn-Schnittstelle Gelähmte können allein mit ihren Gedanken schreiben
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12. Mai 2021, 18:05 Uhr
Stellen Sie sich vor, Sie können wegen einer Lähmung nicht mehr sprechen, wollen aber trotzdem etwas mitteilen. Doch so sehr Sie auch wollen, sie bekommen keinen Ton heraus. Forscher haben jetzt ein Verfahren vorgestellt, mit dem Gelähmte ihre Gedanken mental so schnell in Schrift verwandeln können, wie andere mit dem Smartphone schreiben.
Heiko war verzweifelt. Nachdem er seinen Vater nach dem Unfall im Krankenhaus besuchte, war schnell klar. Sein geliebter Vater konnte nichts mehr. Er konnte sich nicht mehr bewegen, kein Bein heben, keinen Arm, er konnte sich nicht setzen, den Kopf anheben, er kann auch nicht mehr sprechen. Lediglich die Augen schauten ihn weit aufgerissen an, als ob sie etwas sagen wollen, aber nicht können. "Da lag dieser alte, aber eben noch so agile Mensch nun regungslos da. Nicht mehr imstande zu sprechen, unfähig sich zu erinnern, was ihm geschehen war. Und ich wusste noch nicht einmal, ob er lieber sterben würde", erinnert sich Heiko. Plötzlich war sein Vater einer von Millionen Menschen weltweit, die aufgrund von Rückenmarksverletzungen, Schlaganfällen oder amyotropher Lateralsklerose (Lou-Gehrig-Krankheit) nicht mehr sprechen können.
Wie kommunizieren?
Doch was will der Papa sagen, wenn er so flehentlich guckt? Wie geht es ihm nach dem Unfall? Wo hat er Schmerzen? Um mit seinem Vater zu kommunizieren, informiert sich Heiko über aktuelle Verfahren der Spracherkennung. "Was er sich wünscht, konnte ich nur erahnen", erklärte Heiko. "Nach ein paar Tagen konnte er mit seinen Augen wenigstens 'Ja' oder 'Nein' signalisieren – aber das war es schon. Ich habe damals viel nach technologischen Möglichkeiten recherchiert, ihm eine Verständigung, eine Art von Sprechen doch wieder zu ermöglichen. Aber alles, was ich fand, war wenig befriedigend, in den Erfolgschancen ungewiss und sehr teuer." Sein ernüchterndes Ergebnis: Theoretisch wäre es möglich, Gelähmten eine Sprache zu verleihen, praktisch braucht es noch viel weitere Entwicklung. Heikos Vater starb vor zwei Jahren. Er hat nicht mehr erfahren können, was sein letzter Wunsch war.
Weitere Nachweise nötig
Das entwickelte Verfahren von Forschenden der Standford University in den USA könnte ein jetzt ein vielversprechender, fast schon "paradiesisch einfacher" Ansatz sein, steckt aber auch noch in den Kinderschuhen und bedarf weiterer Forschung. "Bevor es zu einem breiten klinischen Einsatz kommen kann, sind weitere Nachweise seiner Langlebigkeit, Sicherheit und Wirksamkeit erforderlich", schreiben die Forschenden.
Gedanken in Schrift verwandeln
Trotzdem, das Verfahren besticht durch die Idee des "Mindwriting" – der Vision, Gedanken sich selbst aufschreiben zu lassen. Die Wissenschaftler haben dafür eine Software für künstliche Intelligenz mit einem Gerät gekoppelt, das als Gehirn-Computer-Schnittstelle bezeichnet wird und in das Gehirn eines Mannes mit Ganzkörperlähmung implantiert wurde. Damit sollte es möglich sein, die "mentale Handschrift" in Wörter und Sätze auf dem Bildschirm zu verwandeln. Die Untersuchung gelang mit erstaunlichem Ergebnis. Dem ab dem Hals bewegungsunfähigem und sprechgelähmten Mann gelang es, per Text zu kommunizieren – und zwar in ähnlicher Geschwindigkeit, mit der Gleichaltrige auf dem Smartphone simsen. Er konnte sogar doppelt so schnell kommunizieren, wie es mit einer früheren Methode der Forschenden im Jahr 2017 gelungen war. Die neuen Ergebnisse des Standford-Forschungsteams sind im Fachmagazin Nature veröffentlicht worden.
Gedankenübertragung so schnell wie andere im Smartphone tippen
"Dieser Ansatz ermöglicht es gelähmten Personen, Sätze so schnell zu verfassen, wie andere in das Smartphone tippen", sagte Jaimie Henderson, Professor für Neurochirurgie und Co-Autor der Studie. "Das Ziel ist es, die Fähigkeit zur Kommunikation per Text wiederherzustellen." Mit der Software sei es gelungen, die neuronalen Informationen in dem eingesetzten Chip – der Computer-Schnittstelle – zu dekodieren, um die gedachte Handschrift zügig in Text auf dem Computerbildschirm umzuwandeln.
Chip in den Kopf implantiert
Ein Proband der Studie war ein Mann, der aufgrund einer Rückenmarksverletzung im Jahr 2007 praktisch alle Bewegungen unterhalb des Halses verloren hatte. Neun Jahre später setzte ihm der Neurochirurg Henderson zwei Brain-Computer-Interface-Chips (BCI) von der Größe einer Baby-Aspirin in die linke Seite des Gehirns ein. Jeder Chip verfügt über 100 Elektroden, die Signale von Neuronen aus dem Teil des motorischen Kortex feuern, der die Handbewegung steuert – ein Bereich der äußersten Oberfläche des Gehirns.
Vorstellung, mit der Hand zu schreiben
In zahlreichen mehrstündigen Sitzungen wiesen die Forschenden diesen und weitere Probanden an, Sätze so zu schreiben, als ob ihre Hand nicht gelähmt wäre. Die Teilnehmer sollten sich lediglich vorstellen, sie schrieben mit einem Stift auf liniertem Papier. Die Probanden wiederholten im Geiste jeden Buchstaben zehnmal, so dass die Software "lernen" konnte, die neuronalen Signale zu erkennen, die im Bemühen um das Schreiben der Buchstaben entstanden. Währenddessen nutzte der BCI-Chip ein neuronales Netzwerk, eine Art des maschinellen Lernens, um die versuchten Handschriftbewegungen aus der neuronalen Aktivität in Echtzeit in Text zu übersetzen.
Künstliche Intelligenz decodiert Signale
Konkret wurden dabei die neuronalen Signale über winzige Drähte im Kopf direkt an den implantierten BCI-Chip gesendet. Mit Hilfe künstlicher Intelligenz decodierten eigens entwickelte Algorithmen die Signale und schätzten die beabsichtigte Hand- und Fingerbewegung des Probanden ein. Die Übersetzung der Gedanken auf den Bildschirm gelang dabei mit 115 Zeichen pro Minute so schnell, wie Menschen typischerweise auf dem Smartphone tippen.
Probanden schreiben mit ihren Gedanken 18 Wörter pro Minute
Die Teilnehmer der Studie produzierten Text mit einer Rate von etwa 18 Wörtern pro Minute. Zum Vergleich: Nichtbehinderte Menschen desselben Alters können etwa 23 Wörter pro Minute auf einem Smartphone ausgeben. "Die erreichten Schreibgeschwindigkeiten sind mehr als doppelt so schnell wie die, die bisher für jedes andere BCI berichtet wurden", erklärten die Autoren.
Gehirn behält Fähigkeit, sich Handschrift vorzustellen
Neben der Schreibgeschwindigkeit zeigt die Studie noch eine erstaunliche Erkenntnis. Das Gehirn wirkt wie ein konservierendes Gedächtnis, welches sich auch durch mangelnde Anwendung nicht so schnell aus der Übung bringen lässt. Obwohl die Probanden seit über zehn Jahren nicht mehr mit der Hand schreiben konnten, waren sie imstande sich jeden einzelnen Schriftzug noch genau vorzustellen und abzurufen. "Das Gehirn behält seine Fähigkeit feine Bewegungen zu beschreiben, obwohl der Körper sie nicht mehr auszuführen imstande ist", sagte Frank Willett, Hauptautor der Studie.
Komplizierte beabsichtigte Bewegungen, wie wechselnde Geschwindigkeiten und gekrümmte Bahnen in Handschriften können von den KI-Algorithmen leichter und schneller interpretiert werden, als einfachere beabsichtigte und geradlinige Bewegungen mit dem Cursor. Alphabetische Buchstaben unterscheiden sich voneinander, sodass sie leichter zu unterscheiden sind.
Allerdings muss die Technologie "enorme Leistungs- und Gebrauchsvorteile bieten, um die Kosten und Risiken zu rechtfertigen, die mit der Implantation von Elektroden ins Gehirn verbunden sind", schreiben Pavithra Rajeswaran und Amy Orsborn in einem begleitenden Artikel.
Info zur Studie Shenoy und Henderson, die seit 2005 gemeinsam an BCIs arbeiten, sind die leitenden Co-Autoren der neuen Studie. Der Hauptautor ist Frank Willett, PhD, ein Forscher im Labor und am Howard Hughes Medical Institute. Die Studie wurde finanziert durch das Wu Tsai Neurosciences Institute, the Howard Hughes Medical Institute, das Kriegsveteranenministerium und das US-Gesundheitsministerium.
