Ein wissenschaftlicher Durchbruch von Forschern der Universität Tel Aviv und des Tel Aviv Sourasky Medical Center (Ichilov Hospital) hat gezeigt, dass ein stiller Mensch allein durch Gedanken sprechen kann. In einem Experiment stellte sich ein stiller Teilnehmer vor, eine von zwei Silben auszusprechen. In sein Gehirn implantierte Tiefenelektroden übertrugen die elektrischen Signale an einen Computer, der die Silben dann aussprach.
Geleitet wurde die Studie von Dr. Ariel Tankus von der School of Medical and Health Sciences der Universität Tel Aviv und dem Tel Aviv Sourasky Medical Center (Ichilov-Krankenhaus) zusammen mit Dr. Ido Strauss von der School of Medical and Health Sciences der Universität Tel Aviv und Leiter der Abteilung für funktionelle Neurochirurgie am Ichilov-Krankenhaus.
Die Ergebnisse dieser bahnbrechenden Studie wurden im renommierten Journal Neurosurgery veröffentlicht , der offiziellen Publikation des Kongresses der Neurochirurgen. Diese Erkenntnisse bieten Hoffnung, dass Menschen, die aufgrund von Erkrankungen wie ALS, Hirnstamminfarkt oder Hirnverletzung vollständig gelähmt sind, die Fähigkeit zum willentlichen Sprechen wiedererlangen können.
„Der Patient in der Studie ist ein Epilepsiepatient, der ins Krankenhaus eingeliefert wurde, um sich einer Resektion des epileptischen Herdes in seinem Gehirn zu unterziehen“, erklärt Dr. Tankus. „Um dies zu tun, muss man natürlich den Brennpunkt lokalisieren, der die Quelle des ‚Kurzschlusses‘ ist, der starke elektrische Wellen durch das Gehirn sendet. Diese Situation betrifft eine kleinere Untergruppe von Epilepsiepatienten, die nicht gut auf Medikamente reagieren und einen neurochirurgischen Eingriff benötigen, und eine noch kleinere Untergruppe von Epilepsiepatienten, deren vermuteter Herd tief im Gehirn liegt und nicht auf der Oberfläche der Hirnrinde. Um die genaue Stelle zu identifizieren, müssen Elektroden in tiefe Strukturen ihres Gehirns implantiert werden. Dann werden sie ins Krankenhaus eingeliefert und warten auf den nächsten Anfall. Wenn ein Anfall auftritt, zeigen die Elektroden den Neurologen und Neurochirurgen, wo der Herd liegt, sodass sie präzise operieren können. Aus wissenschaftlicher Sicht bietet dies eine seltene Gelegenheit, einen Blick in die Tiefen eines lebenden menschlichen Gehirns zu werfen. Glücklicherweise erklärte sich der im Ichilov-Krankenhaus behandelte Epilepsiepatient bereit, an dem Experiment teilzunehmen, das letztlich völlig gelähmten Menschen helfen könnte, sich mithilfe künstlicher Sprache wieder auszudrücken.“
In der ersten Phase des Experiments baten die Forscher der Universität Tel Aviv den Patienten, bei dem die Tiefenelektroden bereits im Gehirn implantiert waren, zwei Silben laut auszusprechen: /a/ und /e/. Während er diese Laute artikulierte, zeichneten sie die Gehirnaktivität auf. Mithilfe von Deep Learning und maschinellem Lernen trainierten die Forscher künstliche Intelligenzmodelle, um die spezifischen Gehirnzellen zu identifizieren, deren elektrische Aktivität den Wunsch anzeigte, /a/ oder /e/ zu sagen. Nachdem der Computer gelernt hatte, das mit diesen beiden Silben verbundene Muster der elektrischen Aktivität im Gehirn des Patienten zu erkennen, wurde dieser gebeten, sich nur vorzustellen, dass er /a/ und /e/ sagte. Der Computer übersetzte dann die elektrischen Signale und spielte die voraufgezeichneten Laute von /a/ oder /e/ entsprechend ab.
„Mein Forschungsgebiet beschäftigt sich mit der Kodierung und Dekodierung von Sprache, also damit, wie einzelne Gehirnzellen am Sprachprozess beteiligt sind – der Sprachproduktion, dem Sprachhören und der Vorstellung von Sprache oder dem ‚stummen Sprechen‘“, sagt Dr. Tankus. „In diesem Experiment konnten wir zum ersten Mal in der Geschichte die Wortarten mit der Aktivität einzelner Zellen aus den Gehirnregionen verbinden, aus denen wir Aufzeichnungen gemacht haben. Dadurch konnten wir zwischen den elektrischen Signalen unterscheiden, die die Laute /a/ und /e/ darstellen. Im Moment beschäftigt sich unsere Forschung mit zwei Bausteinen der Sprache, zwei Silben. Natürlich ist es unser Ziel, die Sprache vollständig zu beherrschen, aber selbst zwei verschiedene Silben können es einer vollständig gelähmten Person ermöglichen, ‚Ja‘ und ‚Nein‘ zu signalisieren. So wird es in Zukunft beispielsweise möglich sein, einen Computer für einen ALS-Patienten im Frühstadium der Krankheit zu trainieren, während dieser noch sprechen kann. Der Computer würde lernen, die elektrischen Signale im Gehirn des Patienten zu erkennen, sodass er diese Signale auch dann noch interpretieren könnte, wenn der Patient seine Muskeln nicht mehr bewegen kann. Und das ist nur ein Beispiel. Unsere Studie ist ein wichtiger Schritt hin zur Entwicklung einer Gehirn-Computer-Schnittstelle, die die Kontrollbahnen des Gehirns für die Sprachproduktion ersetzen kann, sodass vollständig gelähmte Menschen wieder freiwillig mit ihrer Umgebung kommunizieren können.“
Die Studie wurde durch ein Stipendium des israelischen Ministeriums für Innovation, Wissenschaft und Technologie unterstützt.
