Menschen mit amyotropher Lateralsklerose (ALS) verlieren nach und nach die Fähigkeit, ihre Muskeln zu bewegen. Im fortgeschrittenen Stadium befinden sie sich bei vollem Bewusstsein in einem Zustand, in dem sie nicht mehr mit der Außenwelt kommunizieren können – dem Locked-in-Syndrom. Forscher haben nun ein System entwickelt, das eine Kommunikation ohne jegliche Muskelbewegung ermöglicht. Ins Gehirn implantierte Elektroden messen dabei die Hirnsignale und dekodieren sie als „ja“ oder „nein“. Auf diese Weise kann der Patient beispielsweise vorgelesene Buchstaben auswählen und daraus Wörter und Sätze bilden.

Amyotrophe Lateralsklerose ist eine nicht heilbare Krankheit, bei der die Neuronen des motorischen Nervensystems degenerieren, was zu fortschreitenden Lähmungen führt. Der wohl bekannteste Patient war der Astrophysiker Stephen Hawking. Während Hawking noch seine Gesichtsmuskeln bewegen und so einen Sprachcomputer steuern konnte, befinden sich andere Patienten mit schneller fortschreitenden Formen der Erkrankung oft jahrelang in einem Zustand, in dem sie nicht einmal mehr die Augenmuskulatur willentlich steuern können. Da bisherige Kommunikationssysteme – auch solche, die auf einer Hirn-Computer-Schnittstelle (Brain Computer Interface, BCI) basieren – zumindest minimale Muskelbewegungen voraussetzen, hatten diese Patienten keine Möglichkeit, mit ihrer Außenwelt zu kommunizieren.

Patient mit komplettem Locked-in-Syndrom

Ein Team um Ujwal Chaudhary von der ALS Voice gGmbH in Mössingen im Landkreis Tübingen hat nun ein System entwickelt, das ohne jegliche Muskelbewegung auskommt. Anlass dafür war eine Anfrage der Familie eines Patienten mit einer schnell voranschreitenden Form von ALS. Als die Krankheit bei ihm im Jahr 2015 diagnostiziert wurde, war der Patient 30 Jahre alt. Im gleichen Jahr verlor er seine Fähigkeit zu gehen und zu sprechen, seit 2016 wird er künstlich ernährt und beatmet. Zunächst kommunizierte er mit seiner Familie über Augenbewegungen, doch als sich abzeichnete, dass er auch diese Fähigkeit bald verlieren würde, wandte sich seine Familie an Chaudhary und seine Kollegen.

In einer klinischen Fallstudie haben die Forscher dem Patienten ein von ihnen entwickeltes System zur Verfügung gestellt, das seine Hirnsignale misst und daraus die Antworten „ja“ und „nein“ ableitet. „Diese Studie beantwortet eine seit langem bestehende Frage, nämlich ob Menschen mit komplettem Locked-in-Syndrom, bei denen die gesamte willkürliche Muskelkontrolle, einschließlich der Augen- und Mundbewegungen, verloren gegangen ist, auch die Fähigkeit ihres Gehirns verlieren, Befehle für die Kommunikation zu generieren“, sagt Co-Autor Jonas Zimmermann vom Wyss Center in Genf. „Erfolgreiche Kommunikation mit Hilfe von BCIs wurde bereits mit bei Menschen mit Lähmungen nachgewiesen. Unseres Wissens nach ist dies jedoch die erste Studie, in der die Kommunikation mit einer Person gelungen ist, die sich nicht mehr willentlich bewegen kann und für die das BCI nun das einzige Kommunikationsmittel ist.“

Elektroden im Gehirn

Die bisher üblichen Hirn-Computer-Schnittstellen sind häufig nicht-invasiv. Um sie zu nutzen, werden Elektroden auf der Kopfhaut befestigt, die Hirnsignale ableiten. Bei dem vollständig gelähmten Patienten waren diese Signale allerdings zu ungenau, um zuverlässig dekodierbar zu sein. Chaudhary und sein Team implantierten ihm daher zwei winzige Platten mit Mikroelektroden in den motorischen Kortex. Stellt sich der Patient Bewegungen vor, verändert sich die Hirnaktivität in diesem Areal. In zahlreichen Trainingssitzungen hat der Patient gelernt, seine Hirnaktivität bewusst so zu modulieren, dass die Elektroden dies erfassen und erkennen können. Dabei half ihm ein Feedback-System, das die Änderungen der Feuerrate der entsprechenden Neuronen in akustische Signale umsetzt.

Inzwischen kann der Patient seine Hirnsignale so steuern, dass der Computer daraus die Antworten „ja“ und „nein“ ableiten kann. Auf diese Weise kann er auf Fragen antworten, aber auch Wörter und Sätze buchstabieren. Dazu liest ihm ein Buchstabierprogramm die Buchstaben des Alphabets vor und er bestätigt den richtigen Buchstaben mit „ja“. Bis auf diese Weise ein ganzer Satz zustande kommt, dauert es allerdings eine Weile – durchschnittlich kann der Patient mit diesem System etwa einen Buchstaben pro Minute „schreiben“.

Kommunikation mit der Familie

Das System ermöglicht es dem Patienten, überhaupt noch mit seinen Mitmenschen zu kommunizieren. Viele seiner Botschaften beziehen sich auf seine Versorgung, berichten die Forscher. So teilte er zum Beispiel mit, dass er öfter Gel für seine trockenen Augen bekommen möchte, welche Kleidung er nachts tragen möchte, aber auch, welche Musik er gerade gerne hören würde. Außerdem machte er selbst Vorschläge zur Verbesserung des Systems. Unter anderem führten die Forscher auf seine Anregung hin ein Worterkennungsprogramm ein. Zudem nutzt er das System, um mit seiner Frau und seinem Sohn zu kommunizieren.

„Diese Studie hat auch gezeigt, dass das System unter Einbeziehung der Familie oder des Pflegepersonals im Prinzip auch zu Hause eingesetzt werden kann. Dies ist ein wichtiger Schritt für Menschen mit ALS, die außerhalb des Krankenhauses betreut werden“, sagt Zimmermanns Kollege George Kouvas. „Diese Technologie, die einem Patienten und seiner Familie in ihrer eigenen Umgebung zugute kommt, ist ein großartiges Beispiel dafür, wie technologische Fortschritte im BCI-Bereich umgesetzt werden können, um direkte Auswirkungen zu erzielen.“ In Zukunft wollen die Forscher versuchen, Systeme zu entwickeln, die Signale aus weiteren Bereichen des Gehirns messen können und irgendwann ermöglichen könnten, vorgestelltes Sprechen direkt zu dekodieren und in hörbare Sprache umzuwandeln.

Quelle: Ujwal Chaudhary (ALS Voice gGmbH, Mösslingen, Deutschland) et al., Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-022-28859-8

© wissenschaft.de – Elena Bernard