#Hirn-Computer-Schnittstellen geben Sprachfähigkeit zurück

Hirn-Computer-Schnittstellen sollen gelähmten Menschen ermöglichen, wieder mit ihrer Umwelt zu kommunizieren. Zwei neue Veröffentlichungen markieren nun bedeutende Fortschritte der Technologie. Die vorgestellten Geräte erkennen die gedachte Sprache deutlich schneller als ihre Vorgänger und erlauben einen umfangreichen Wortschatz. Eines der Geräte kombiniert die Sprachausgabe sogar mit einem Avatar, der die passende Mimik nachahmt. Marktreif sind die beiden Geräte noch nicht, könnten jedoch eine Grundlage bilden, um zeitnah alltagstaugliche Varianten zu entwickeln.

Krankheiten wie amyotrophe Lateralsklerose (ALS), Verletzungen der Halswirbelsäule oder Schlaganfälle im Bereich des Hirnstamms können dazu führen, dass Betroffene ihre Fähigkeit zu sprechen verlieren. Manche Menschen können sich zunächst noch anderweitig verständlich machen, doch mit zunehmenden Lähmungen schränken sich die Möglichkeiten immer mehr ein. Forschende versuchen daher, mit Schnittstellen zwischen Gehirn und Computer Signale direkt aus dem Gehirn der Betroffenen auszulesen und in Sprache umzuwandeln, um ihnen eine Kommunikation mit der Außenwelt zu ermöglichen. Die meisten bisherigen Technologien sind allerdings langsam und fehleranfällig.

Erkennung von Lauten

Nun haben zwei Forschungsteams unabhängig voneinander neue Hirn-Computer-Schnittstellen entwickelt, die eine natürlichere Kommunikation ermöglichen sollen. Während die meisten früheren Ansätze darauf basierten, dass eine künstliche Intelligenz aus den Hirnströmen ganze Wörter aus einem vorgegebenen Wortschatz erkennt, setzen die beiden neuen Geräte auf die Erkennung einzelner Phoneme, also der Laute, aus denen alle Wörter aufgebaut sind. Im Englischen, der Sprache, auf der die Versuche stattfanden, gibt es 39 Phoneme, im Deutschen sind es 40.

Statt also auf Anhieb ganze Wörter erkennen zu müssen, leitet der Algorithmus aus den Hirnströmen der Testperson ab, welchen Laut sie gerade formen will. Eine Sprachsoftware setzt dann die einzelnen Laute zu Wörtern zusammen und nutzt dabei ähnliche Mechanismen wie ein Autokorrekturprogramm. „Das System ist darauf trainiert, zu wissen, welche Wörter vor anderen kommen sollten und welche Phoneme welche Wörter bilden“, erklärt Francis Willett von der Stanford University in Kalifornien, der gemeinsam mit seinem Team eines der beiden nun vorgestellten Geräte entwickelt hat. „Wenn einige Phoneme falsch interpretiert wurden, kann es immer noch eine gute Vermutung anstellen.“

Höhere Geschwindigkeit

Das von Willett und seinem Team entwickelte Implantat testete eine 68-jährige Frau, bei der 2012 ALS diagnostiziert wurde und die inzwischen aufgrund von Lähmungen der Sprechmuskulatur nicht mehr verbal kommunizieren kann. Im März 2022 implantierten die Forschenden der Probandin zwei Sensoren mit winzigen Elektroden an zwei mit Sprache assoziierte Stellen im Gehirn. Rund 100 Stunden lang trainierten Probandin und Forschungsteam die verbundene Software, indem die Probandin immer wieder versuchte, vorgegebene Sätze zu sprechen, während die Software die Hirnsignale aufzeichnete und den Lauten zuordnete.

Inzwischen ist die Probandin in der Lage, über die Gehirn-Computer-Schnittstelle mit einer Geschwindigkeit von durchschnittlich 62 Wörtern pro Minute zu kommunizieren – mehr als dreimal so schnell wie es mit bisherigen Geräten möglich war. Die natürliche Sprechgeschwindigkeit im Englischen beträgt etwa 160 Wörter pro Minute. Bei einem Wortschatz von 125.000 Wörtern kam die Software auf eine Fehlerquote von 23,8 Prozent. Begrenzten die Forschenden den Wortschatz auf 50 Wörter, lag die Fehlerquote bei 9,1 Prozent.

Avatar für die Mimik

Eine weitere Gehirn-Computer-Schnittstelle, die eine noch natürlichere Kommunikation ermöglichen soll, hat ein Team um Sean Metzger von der University of California in San Francisco entwickelt. „Unser Ziel ist es, eine vollständige, verkörperte Art der Kommunikation wiederherzustellen, die für uns die natürlichste Art ist, mit anderen zu sprechen“, erklärt Metzgers Kollege Edward Chang. Zusätzlich zu der Textausgabe schufen die Forschenden daher einen virtuellen Avatar, der auf Basis der Hirnsignale die passende Mimik zum Gesagten ausdrückt. Dazu erfassen die ins Gehirn implantierten Elektroden nicht nur die Signale an die Sprachmuskulatur, sondern auch an die übrige Gesichtsmuskulatur.

Die Probandin dieser Studie – eine Schlaganfallpatientin – konnte nach entsprechendem Training durchschnittlich 78 Wörter pro Minute bilden, wobei die Fehlerquote für einen Wortschatz von 1.024 Wörtern bei 25 Prozent lag. „Wir gleichen die Verbindungen zwischen dem Gehirn und dem Vokaltrakt aus, die durch den Schlaganfall unterbrochen wurden“, sagt Kaylo Littlejohn. Um der Probandin tatsächlich ihre Stimme wiederzugeben, werteten die Forschenden alte Sprachaufnahmen von ihr aus und programmierten die Sprachausgabe des Geräts so, dass es mit der Stimme der Probandin sprach. „Unsere Ergebnisse stellen einen multimodalen sprachneuroprothetischen Ansatz vor, der vielversprechend ist, um Menschen mit schweren Lähmungen eine vollständige, verkörperte Kommunikation zu ermöglichen“, schreibt das Forschungsteam.

Bisher nur im Labor

Außerhalb wissenschaftlicher Studien sind die Geräte bislang noch nicht verfügbar. „Dies ist ein wissenschaftlicher Konzeptnachweis und kein Gerät, das man im Alltag einsetzen kann“, sagt Willett. Abgesehen von der noch relativ hohen Fehlerrate muss der Computer bislang per Kabel mit den Elektroden im Gehirn verbunden werden. Beide Teams arbeiten aber an drahtlosen Varianten ihrer Schnittstelle. „Wenn Menschen die Möglichkeit hätten, ihre eigenen Computer und Telefone mit dieser Technologie frei zu steuern, hätte dies tiefgreifende Auswirkungen auf ihre Unabhängigkeit und ihre sozialen Interaktionen“, sagt Metzgers Kollege David Moses.

Quellen: Francis Willett (Stanford University, Kalifornien) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-023-06377-x; Sean Metzger (University of California, San Francisco) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-023-06443-4

© wissenschaft.de – Elena Bernard