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Hirnimplantat machts möglich Gelähmter kann mit Gedankenkraft schreiben

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Mithilfe einer Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI) erstellte ein gelähmter Studienteilnehmer Buchstaben auf einem Computer, indem er sich die Bewegungen beim Schreiben mit der Hand einfach vorstellte. Die Technik ermöglichte es ihm, 90 Zeichen pro Minute zu "tippen", ein neuer Rekord für BCI-gestützte Schreibgeschwindigkeit.

(Foto: BrainGate.org/dpa)

Für Menschen, die vom Kopf abwärts gelähmt sind und unfähig zu sprechen, gibt es Hoffnung, sich mithilfe einer neuen Technik verständlich machen zu können. Ein Hirnimplantat kann ihre Gedanken in Schrift übertragen und so eine Kommunikation ermöglichen.

Ein Implantat im Gehirn kann Gedanken an Handschrift in tatsächliche Schrift am Computer übersetzen. US-Forscher haben eine solche Computer-Hirn-Schnittstelle dazu genutzt, um einem gelähmten Menschen bei der Kommunikation zu helfen, wie sie im Fachmagazin "Nature" berichten.

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Zwei implantierte Elektroden leiten Informationen aus dem Hirnareal, das Hände und Arme steuert, an einen Algorithmus weiter. Der übersetzt sie in Buchstaben, die auf einem Bildschirm erscheinen.

(Foto: F. Willett et al./Nature 2021/Erika Woodrum/dpa)

Der Ansatz erlaube es dem Mann, Sätze in einer Geschwindigkeit zusammenzusetzen, die vergleichbar sei mit gesunden Erwachsenen gleichen Alters, die auf einem Smartphone schreiben, erläutert Jaimie Henderson von der Universität Stanford im US-Bundesstaat Kalifornien. Eine unmittelbare Anwendbarkeit des noch experimentellen Ansatzes bei gelähmten Menschen sieht ein deutscher Experte nicht.

Die US-Forscher hatten einem Mann, der seit einem Unfall vom Hals abwärts gelähmt ist, ein Implantat in die rechte Seite des Kopfes eingesetzt. Der Unfall lag zu diesem Zeitpunkt neun Jahre zurück. Das Gerät ist etwa so groß wie eine kleine Tablette. Es misst über 100 Elektroden die Gehirnaktivität des Areals, das für Handbewegungen verantwortlich ist.

"Gedachte" Handschrift auf Computer übertragen

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Im Rahmen der klinischen Studie BrainGate zeichneten Forscher mit winzigen Elektrodenelementen Signale aus dem motorischen Kortex des Gehirns auf. Diese Signale können verwendet werden, um Roboterprothesen, Computer oder andere Geräte zu steuern.

(Foto: BrainGate.org/abe)

Dann baten sie den Mann, an das handschriftliche Schreiben einzelner Buchstaben zu denken. Die dabei erzeugten Signale wurden über eine Kabelverbindung an einen Computer übertragen, ausgewertet und interpretiert. Letztlich vollzieht der Computer den Bewegungsbefehl nach, den das Gehirn ursprünglich an die Muskeln der Hände zu senden versucht hat - und lässt den dazugehörigen Buchstaben auf dem Bildschirm erscheinen.

Die Muster in der Gehirnaktivität beim Gedanken an in Schreibschrift geschriebenen Buchstaben ließen sich gut voneinander unterscheiden, berichten die Forscher. Jeder Buchstabe erzeuge ein sehr unterschiedliches Aktivierungsmuster, was dem Algorithmus die Unterscheidung erleichtere, erläutert Mitautor Frank Willet.

Eine der grundlegenden Voraussetzungen für das Funktionieren des Systems ist die Tatsache, dass Menschen nicht so schnell verlernen, was sie nicht mehr brauchen. Das Gehirn erhalte seine Fähigkeit, diffizile Bewegungen vorzugeben, noch ein Jahrzehnt nachdem der Körper aufgehört hat, sie ausführen zu können, sagt Willett. Der Algorithmus könne auch darauf trainiert werden, einzelnen Buchstaben und Satzzeichen neuronale Muster zuzuordnen.

Unterstützung durch Fehlerkorrektur

Unterstützt wurde der Algorithmus durch eine Fehlerkorrektur, ähnlich derjenigen, die auf einem Smartphone genutzt wird. Selbst ohne diese Funktion erreichte das Programm in den Versuchsdurchläufen laut der Studie eine Genauigkeit von mehr als 94 Prozent, somit sei es nahezu fehlerlos. Mit maximal 90 Zeichen in der Minute ist das Verfahren laut dem Forscherteam mehr als doppelt so schnell wie bisherige Methoden, bei denen zum Beispiel ein Cursor per Gedankenkraft bewegt wird.

Amyotrophe Lateralsklerose - ALS

ALS führt zu Nervenzerstörungen und fortschreitenden Muskellähmungen. Die seltene Krankheit ist tödlich. Etwa die Hälfte der Patienten stirbt innerhalb der ersten drei Jahre. Über die genauen Ursachen und Mechanismen der Nervenkrankheit ist noch wenig bekannt.

ALS ist zwar nicht heilbar, aber zu behandeln, wobei sich der Patient darauf einstellen muss, im gelähmten Körper eingeschlossen zu sein. Der Physiker Stephen Hawking lebte dank künstlicher Beatmung jahrzehntelang mit ALS und starb im Alter von 76 Jahren.

Ein weiterer Vorteil: Bei anderen Ansätzen steuern Gelähmte einen Cursor mithilfe von Augenbewegungen. Das neue System könnte auch bei Patienten funktionieren, die zu Augenbewegungen nicht mehr fähig sind, etwa Menschen, die am sogenannten Locked-in-Syndrom leiden. Dieses kann zum Beispiel im Spätstadium der amyotrophen Lateralsklerose (ALS) auftreten und beschreibt einen Zustand, bei dem die Betroffenen bei Bewusstsein, aber vollständig gelähmt sind und damit unfähig, sich mitzuteilen.

Ethische Bedenken

Werden Gelähmte also in naher Zukunft per Whatsapp mit der Welt kommunizieren können? Christoph Reichert vom Leibniz-Institut für Neurobiologie in Magdeburg geht eher nicht davon aus. Allein die Forschung an invasiven Ansätzen ohne klinische Begründung für das Einsetzen einer solchen Schnittstelle würde aus seiner Sicht in Deutschland auf ethische Bedenken stoßen.

Mensch-Computer-Schnittstellen seien bisher in der Regel nicht invasiv. Das heißt, die Gehirnsignale werden von außen abgelesen, ohne ein Implantat im Hirn einzusetzen. Das Problem dabei: Nutze man beispielsweise ein EEG, dann wirke die Schädeldecke wie ein Filter, der die Auflösung verschlechtert. "Zieht man ein Bild heran auf dem man in Normalgröße einen Buchstaben lesen kann, und man verkleinert es auf nur vier Pixel, dann könnte ich vielleicht noch hell und dunkel unterscheiden", beschreibt Reichert den Unterschied in der Datenqualität im Vergleich zu einer invasiven Technik wie einer Implantierung.

Grenzen in der Anwendbarkeit

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Was den Ansatz der US-Forscher angeht, sieht der deutsche Informatiker, der seit mehr als zehn Jahren im Bereich der Neurobiologie arbeitet, zudem Grenzen in der Anwendbarkeit. Bei Krankheiten wie ALS ist in den meisten Fällen auch der Motorcortex betroffen, also der Bereich des Gehirns, indem die Motorik gesteuert wird. Das Verfahren würde bei ihnen nicht funktionieren. Bleibt er intakt, wie etwa bei Unfallopfern, liegen die Herausforderungen laut Reichert vor allem im Trainieren des Algorithmus. Es müsse sicher gestellt werden, dass die Patientinnen oder Patienten die Aufgaben verstehen und dies müssten sie auch zweifelsfrei mitteilen können.

Das Forscherteam selbst sieht sich ebenfalls erst am Anfang: Das System sei ein Beweis dafür, dass das Konzept funktioniere. Bis zu einem Einsatz im realen Kontext brauche es noch mehr Tests, auch sei die Technologie noch nicht ausgereift: Langlebigkeit, Sicherheit und Effizienz müssten noch bewiesen werden. Trotzdem denkt das Forscherteam bereits an weitere Funktionen: So soll die Zahl der möglichen Zeichen steigen, auch löschen und verändern des Textes sollen in Zukunft möglich sein.

Quelle: ntv.de, Sebastian Schug, dpa

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