Ein Mann, der aufgrund einer 2007 erlittenen Rückenmarksverletzung vom Hals abwärts gelähmt ist, hat gezeigt, dass er seine Gedanken mitteilen kann – dank eines Gehirnimplantatsystems, das seine imaginäre Handschrift in tatsächlichen Text übersetzt.
Das Gerät – Teil einer langjährigen Forschungskooperation mit dem Namen BrainGate – ist eine Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI), die künstliche Intelligenz (KI) nutzt, um Signale neuronaler Aktivität zu interpretieren, die während des Handschreibens entstehen.
In diesem Fall schrieb der Mann, der in der Studie T5 genannt wurde und zum Zeitpunkt der Untersuchung 65 Jahre alt war, nicht wirklich, da seine Hand und alle seine Gliedmaßen seit mehreren Jahren gelähmt waren.
Aber während des Experiments, über dasAnfang des Jahres inNatureberichtet wurde, konzentrierte sich der Mann so, als ob er schreiben würde – er dachte tatsächlich daran, die Buchstaben mit einem imaginären Stift und Papier zu schreiben.
Während er dies tat, zeichneten in seinem motorischen Kortex implantierte Elektroden Signale seiner Hirnaktivität auf, die dann von Algorithmen auf einem externen Computer interpretiert wurden, der die imaginären Stiftbahnen von T5 entschlüsselte, die mental die 26 Buchstaben des Alphabets und einige einfache Satzzeichen nachzeichneten.
„Dieses neue System nutzt sowohl die reichhaltige neuronale Aktivität, die von intrakortikalen Elektroden aufgezeichnet wird, als auch die Leistungsfähigkeit von Sprachmodellen, die, wenn sie auf die neuronal dekodierten Buchstaben angewandt werden, einen schnellen und präzisen Text erstellen können“, sagt der Erstautor der Studie Frank Willett, ein Forscher für neuronale Prothetik von der Stanford University.
Ähnliche Systeme, die im Rahmen von BrainGate entwickelt wurden, transkribieren seit einigen Jahren neuronale Aktivitäten in Text, aber viele frühere Schnittstellen konzentrierten sich auf verschiedene zerebrale Metaphern, um die zu schreibenden Zeichen zu bezeichnen – wie z. B. das Zeigen und Klicken beim Tippen mit einem vom Geist gesteuerten Computer-Cursor.
Es war jedoch nicht bekannt, wie gut die neuronalen Repräsentationen der Handschrift – einer schnelleren und geschickteren motorischen Fähigkeit – im Gehirn gespeichert werden können und wie gut sie für die Kommunikation mit einer Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI) genutzt werden können.
Hier zeigte T5, wie vielversprechend ein virtuelles Handschriftsystem für Menschen sein kann, die praktisch keine eigenständige körperliche Bewegung mehr haben.
In Tests konnte der Mann eine Schreibgeschwindigkeit von 90 Zeichen pro Minute (etwa 18 Wörter pro Minute) erreichen, bei einer Genauigkeit von etwa 94 Prozent (und bis zu 99 Prozent Genauigkeit bei aktivierter Autokorrektur).
Diese Geschwindigkeit ist nicht nur deutlich höher als bei früheren BCI-Experimenten (z. B. mit virtuellen Tastaturen), sondern entspricht auch fast der Tippgeschwindigkeit von Smartphone-Benutzern in der Altersgruppe des Mannes, die etwa 115 Zeichen oder 23 Wörter pro Minute beträgt, so die Forscher.
„Wir haben gelernt, dass das Gehirn noch ein ganzes Jahrzehnt, nachdem der Körper seine Fähigkeit zur Ausführung dieser Bewegungen verloren hat, in der Lage ist, feine Bewegungen vorzuschreiben“, sagt Willett.
„Und wir haben gelernt, dass komplizierte beabsichtigte Bewegungen mit wechselnden Geschwindigkeiten und gekrümmten Bahnen, wie Handschrift, von den Algorithmen der künstlichen Intelligenz, die wir verwenden, leichter und schneller interpretiert werden können als einfachere beabsichtigte Bewegungen, wie das Bewegen eines Cursors in einer geraden Bahn mit gleichmäßiger Geschwindigkeit.“
Grundsätzlich sagen die Forscher, dass sich die Buchstaben des Alphabets in ihrer Form stark voneinander unterscheiden, so dass die KI die Absicht des Benutzers beim Zeichnen der Buchstaben schneller entschlüsseln kann als andere BCI-Systeme, die nicht Dutzende von verschiedenen Eingaben auf die gleiche Weise nutzen.
Trotz des Potenzials dieser neuartigen Technologie betonen die Forscher, dass es sich bei dem derzeitigen System bisher nur um einen Konzeptnachweis handelt, der nur bei einem Teilnehmer funktioniert hat, so dass es definitiv noch kein vollständiges, klinisch brauchbares Produkt ist.
Die nächsten Forschungsschritte könnten darin bestehen, andere Personen in der Benutzung der Schnittstelle zu schulen, den Zeichensatz um weitere Symbole (z. B. Großbuchstaben) zu erweitern, die Empfindlichkeit des Systems zu verfeinern und anspruchsvollere Bearbeitungswerkzeuge für den Benutzer hinzuzufügen.
Es gibt noch viel zu tun, aber wir könnten es hier mit einer aufregenden neuen Entwicklung zu tun haben, die den Menschen, die sie verloren haben, die Fähigkeit zur Kommunikation zurückgibt.
„Unsere Ergebnisse eröffnen einen neuen Ansatz für BCIs und zeigen, dass es möglich ist, schnelle, geschickte Bewegungen noch Jahre nach einer Lähmung genau zu dekodieren“, schreiben die Forscher.
„Wir glauben, dass die Zukunft der intrakortikalen BCIs vielversprechend ist.“
Die Ergebnisse werden in Nature veröffentlicht.
