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Sep 27, 2023

KI bringt Forscher der Wiederherstellung der Sprache bei gelähmten Menschen einen Schritt näher

Mit einer Toronto Blue Jays-Mütze auf dem Kopf wendet sich William Johnson an seine Frau Ann und fragt, was sie von der Baseballmannschaft hält. „Alles ist möglich“, antwortet Ann, 48, die in Regina lebt. Ihr

Mit einer Toronto Blue Jays-Mütze auf dem Kopf wendet sich William Johnson an seine Frau Ann und fragt, was sie von der Baseballmannschaft hält.

„Alles ist möglich“, antwortet Ann, 48, die in Regina lebt.

Ihr Mann witzelt zurück und sagt, es scheine, als hätte sie nicht viel Vertrauen in sie.

Daraufhin kichert Ann, macht eine Pause und sagt: „Da hast du recht.“

Es ist das erste Gespräch, das das Paar seit 18 Jahren mit Anns eigener Stimme führt. Es wurde im Rahmen einer klinischen Studie in Kalifornien aufgezeichnet, an der Ann teilnimmt.

Als sie 30 Jahre alt war, erlitt Ann einen Schlaganfall im Hirnstamm, der dazu führte, dass sie nicht mehr sprechen konnte. Bei ihr wurde das Locked-in-Syndrom diagnostiziert, was bedeutet, dass sie nicht sprechen kann und ihre Bewegungen eingeschränkt sind.

Seitdem können einfache Gespräche mehrere Minuten dauern, da Ann auf Geräte angewiesen ist, bei denen sie jedes Wort mit Augenbewegungen buchstabieren muss.

Aber neue wissenschaftliche Fortschritte zeigen, wie künstliche Intelligenz (KI) es Menschen mit Hirnverletzungen erleichtert, flüssigere Gespräche zu führen – wie das, das Ann mit ihrem Mann über die Blue Jays führte.

Die in der Zeitschrift Nature Wednesday veröffentlichte Studie zeigt, wie Sätze, die Ann denkt, dann von einem Online-Avatar mit ihrer eigenen Stimme gesprochen werden können. Die Forscher und andere sind zwar noch Jahre von einer kommerziellen Anwendung entfernt, halten es jedoch für eine bedeutende Entwicklung bei der schnellen – und lauten – Bildung von Wörtern durch die Interpretation von Gehirnsignalen.

„Das ist ein wirklich, wirklich großer Fortschritt“, sagte Margaret Seaton, Koordinatorin für klinische Forschung an der University of California San Francisco (UCSF), die an der Studie arbeitete.

„[Ann] beschrieb es als äußerst emotional, ihre eigene Stimme zu hören, nachdem sie über 18 Jahre lang keine Stimme hatte.“

Während einer Online-Pressekonferenz am Dienstag sagte der Hauptforscher der Studie, Edward Chang, dass „der Sprachverlust nach einer Verletzung verheerend ist“.

„Beim Sprechen geht es nicht nur darum, Worte zu kommunizieren, sondern auch darum, wer wir sind. Unsere Stimme und unser Ausdruck sind Teil unserer Identität“, sagte Chang, der auch Professor für neurologische Chirurgie am Weill Institute for Neurosciences der UCSF ist.

Bei vielen Kanadiern kann diese Art von Lähmung, die sie sprachunfähig macht, auf eine durch einen Unfall oder Schlaganfall verursachte Hirnverletzung oder sogar auf eine Diagnose wie Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) zurückzuführen sein.

Die Fähigkeit von Forschern, Gehirnsignale in Worte umzuwandeln, ist nicht neu, aber die Geschwindigkeit, mit der die Technologie arbeitet und die Worte von einem virtuellen Avatar gesprochen werden, macht diese neueste Studie zu einer bedeutenden Studie auf diesem Gebiet, sagen Experten.

Der Neurologe vom Sunnybrook Hospital und Leiter von Kanadas größter ALS-Klinik, Dr. Lorne Zinman, sagt, die Geräte in dieser Forschung seien eine „unglaubliche Innovation“.

„Die Mehrheit der Patienten mit ALS wird Sprachschwierigkeiten entwickeln und viele werden ihre Sprechfähigkeit verlieren“, sagte Zinman.

„Die Entwicklung neuer Kommunikationstechnologien kann einen großen Einfluss auf die Verbesserung ihrer Lebensqualität haben.“

Vor etwa zwei Jahren zeigten Chang und sein Team an der UCSF, wie in das Gehirn einer Person implantierte Elektroden neuronale Aktivität in geschriebene Wörter auf einem Bildschirm umwandeln können.

Damals war die Technologie nur in der Lage, etwa 15 Wörter pro Minute zu registrieren, aber die neuesten Untersuchungen der Gruppe zeigen, wie Fortschritte es möglich gemacht haben, 78 Wörter pro Minute zu registrieren.

Im Durchschnitt spricht ein normaler Mensch 150 bis 200 Wörter pro Minute. Auch wenn dies immer noch nicht mit normaler Sprache vergleichbar ist, sagen Forscher, dass sie der Wiederherstellung eines natürlichen Sprachflusses immer näher kommen.

„Wir glauben, dass diese Ergebnisse wichtig sind, weil sie die Tür für neue Anwendungen öffnen, bei denen Menschen mit Lähmungen personalisierte Interaktionen mit ihrer Familie und Freunden haben“, sagte Chang.

Bei dieser speziellen Studie implantierten Chang und sein Team ein Blatt mit 253 Elektroden auf die Oberfläche von Anns Gehirn über Bereichen, die bekanntermaßen für die Sprachproduktion entscheidend sind.

Damit ein Mensch sprechen kann, sendet das Gehirn Signale an verschiedene Teile des Gesichts, wie Zunge, Kiefer und Lippen. Aber bei Ann war der Schlaganfall dazu führen, dass sie nicht mehr auf diese Signale reagieren konnte.

Um diese Signale aufzufangen, die ihr Gehirn zu übertragen versuchte, platzierten die Forscher einen Port in Anns Kopf und verbanden die Elektroden in ihrem Gehirn über ein Kabel mit einer Reihe von Computern.

Etwa zwei Wochen lang arbeitete Ann mit dem System – sie versuchte immer wieder, lautlos verschiedene Sätze auszusprechen, indem sie ihren Mund so weit wie möglich bewegte.

Die Phrasen umfassten mehr als 1.000 Wörter, was laut Seaton 85 Prozent des täglichen Wortschatzes einer durchschnittlichen Person abdeckt.

Die daraus gesammelten Daten wurden dann an Algorithmen der künstlichen Intelligenz weitergeleitet, um das System darauf zu trainieren, zu erkennen, welche Art von Signalen Anns Gehirn aussendet, um verschiedene Wortlaute zu entwickeln.

Anschließend führten die Forscher eine Testphase durch, in der Ann davon ausging, dass die Sätze und der Algorithmus sie verbalisieren könnten, je nachdem, welche Aktivität er in ihrem Gehirn aufnahm.

Die Ergebnisse zeigen, dass der Computer drei von vier Wörtern richtig verstanden hat – also hat der Algorithmus in 25 Prozent der Fälle das Wort, das Ann sagen wollte, falsch verstanden.

„Es war wirklich aufregend zu sehen, wie schnell es ihr gelang, den Computer zu verstehen, was sie sagen wollte“, sagte ihr Mann William.

Und die Forscher waren auch in der Lage, die vom Avatar kommende Stimme so zu personalisieren, dass sie Anns Stimme war, indem sie einen Algorithmus zur Synthese von Sprache entwickelten und ihn mit einer Aufzeichnung ihrer Stimme fütterten, die sie hatten, als sie bei ihrer Hochzeit sprach.

Die Studie der Forscher der University of California wurde am Mittwoch zusammen mit einer anderen in Nature veröffentlicht, die von Francis Willett und seinem Team von der Stanford University durchgeführt wurde.

Willetts Studie untersucht auch Möglichkeiten, die Gehirnaktivität zu erfassen und in beabsichtigte Wörter umzuwandeln. Dazu überwachten sie jedoch einzelne Neuronen im Gehirn mit einer Reihe sehr kleiner Elektroden und fanden heraus, dass eine Person mit ALS 62 Wörter pro Minute kommunizieren konnte in geschriebenen Worten über ein Gerät.

Zinman sagt, dass die ALS-Patienten, die er in Sunnybrook sieht, derzeit auf verschiedene Arten kommunizieren können.

Zuerst sagt er, dass ein Patient vielleicht tippt oder schreibt, aber die Krankheit nimmt ihm schließlich oft die Fähigkeit, sich zu bewegen.

In diesem Fall sagt er, dass Menschen ein Gerät verwenden können, das sich auf ihre Augenbewegungen verlässt, um Wörter zu buchstabieren.

„Sie können sich vorstellen, wie lange es dauern würde, einen Satz mit den Augen zu buchstabieren“, sagte er.

Bei diesen neuen Geräten, sagt Zinman, muss sich die Person nur ein Wort ausdenken, damit es erscheint.

„Das ist das wirklich Spannende an diesen Gehirn-Computer-Schnittstellen“, sagte er und fügte hinzu, dass sie es den Patienten ermöglichen würden, sich tatsächlich mit ihren Lieben zu unterhalten.

Trotz der Bedeutung dieser Erkenntnisse räumen die Forscher der University of California ein, dass diese Technologie noch Jahre von ihrem tatsächlichen Einsatz im täglichen Leben der Menschen entfernt ist.

Wenn es um bessere Algorithmen geht, die Gehirnsignale genauer dekodieren können, könnte es laut Seaton in naher Zukunft Verbesserungen geben.

Aber Seaton sagt, dass sie das Gerät auch gerne drahtlos und tragbar sehen würden – was wahrscheinlich viel länger dauern wird, bis es Realität wird.

Zu diesem Zeitpunkt beschrieb Seaton den Hafen in Anns Kopf als eine „aktive Wundstelle“, die überwacht werden muss. Daher könne die Technologie nur mit der Unterstützung eines Forschers im Labor eingesetzt werden, sagt sie.

Seaton schätzt, dass Upgrades des Geräts und die behördliche Genehmigung wahrscheinlich noch mehr als fünf Jahre entfernt sind.

Yalda Mohsenzadeh, Assistenzprofessorin für Informatik und Mitglied des Brain and Mind Institute an der Western University in London, Ontario, sagt, sie hoffe, dass tragbare Geräte irgendwann auf der Kopfhaut verwendet werden können, so dass keine Operation erforderlich sei für die Elektroden.

Darüber hinaus wies sie darauf hin, dass diese Geräte nachweisen müssen, dass sie über einen langen Zeitraum hinweg von verschiedenen Personengruppen sicher und zuverlässig verwendet werden können.

„Damit eine Technologie wie diese realistisch eingesetzt werden kann, muss zunächst geprüft werden, ob sie unter all diesen Schwankungen funktionieren kann, die wir für Einzelpersonen und zwischen Einzelpersonen haben“, sagte sie.

Seaton sagt, dass sie daran arbeiten, mehr Menschen mit unterschiedlichen Hirnverletzungen zu rekrutieren, um ihre Ergebnisse in einer größeren Gruppe zu validieren.

Ann hofft, dass ihre Teilnahme dazu beigetragen hat, diesen Bereich voranzubringen, und dass weitere Fortschritte unmittelbar bevorstehen.

„Hoffentlich wird dies eines Tages für Menschen, die nicht sprechen können, einigermaßen erreichbar“, sagte William.

Videojournalist

Jennifer La Grassa ist Videojournalistin bei CBC Windsor. Ihr besonderes Interesse gilt der Berichterstattung über Geschichten aus dem Gesundheitswesen. Haben Sie einen News-Tipp? E-Mail an [email protected]

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