Wissenschaftler verstehen Wörter gelähmter Patienten durch Gehirnsignale
Die Wissenschaftler verwendeten eine neue Art von nicht durchdringender Mikroelektrode, die auf dem Gehirn sitzt, ohne in dieses einzudringen. Diese Elektroden werden als Mikro-EKGs bezeichnet, da sie eine kleinere Anpassung der großen Elektroden darstellen, die in der Elektrokortikographie oder EKG verwendet werden und vor einigen Jahrzehnten entwickelt wurden.
"Wir konnten gesprochene Wörter nur mit Signalen aus dem Gehirn mit einem Gerät dekodieren, das für den langfristigen Einsatz bei gelähmten Patienten, die jetzt nicht sprechen können, vielversprechend ist", sagte Bradley Greger, Assistenzprofessor für Bioingenieurwesen.
Ein Freiwilliger, der bereits eine Kraniotomie - eine vorübergehende teilweise Schädelentfernung - hatte, um seinen schweren epileptischen Anfällen zu helfen, meldete sich freiwillig für die Forschung. Wissenschaftler platzierten Gitter von Mikroelektroden über den Sprachzentren seines Gehirns - auf der motorischen Kortikalis des Gesichts, die die Bewegungen der am Sprechen beteiligten Muskeln steuert, und auch auf dem Wernicke-Bereich, der mit dem Verstehen und Verstehen von Sprachen verbunden ist.
Da Mikroelektroden die Hirnsubstanz nicht wirklich durchdringen, wird davon ausgegangen, dass sie sicher in Sprachbereichen des Gehirns platziert werden können. Mit diesen Mikroelektroden konnten Wissenschaftler die elektrischen Gehirnsignale erfassen und aufzeichnen, die von den wenigen tausend Neuronen oder Nervenzellen erzeugt wurden.
Nachdem der Freiwillige wiederholt jedes der 10 Wörter gelesen hatte, die für eine gelähmte Person nützlich sein könnten - ja, nein, heiß, kalt, hungrig, durstig, hallo, auf Wiedersehen, mehr und weniger -, versuchten die Forscher herauszufinden, welche Gehirnsignale jedes der Wörter repräsentierten 10 Wörter durch Analyse der Stärkeänderungen der verschiedenen Frequenzen, die mit jedem Nervensignal eingehen.
Beim Vergleich von zwei Gehirnsignalen - wie sie beispielsweise erzeugt wurden, als der Mann die Wörter „Ja“ und „Nein“ sagte - konnten die Wissenschaftler in 76 bis 90 Prozent der Fälle den Unterschied zwischen den einzelnen Wörtern feststellen.
Wenn die Wissenschaftler nur die fünf Mikroelektroden auf jedem 16-Elektroden-Gitter verwendeten, die bei der Dekodierung von Gehirnsignalen aus dem motorischen Kortex des Gesichts am genauesten waren, stieg ihre Genauigkeit bei der Unterscheidung zwischen Wörtern auf fast 90 Prozent.
Wenn die Wissenschaftler jedoch alle 10 Gehirnsignalmuster gleichzeitig betrachteten, konnten sie jedes Wort nur in 28 bis 48 Prozent der Fälle korrekt kennzeichnen. Dies war besser als der Zufall (10 Prozent), wurde aber noch nicht als stark genug angesehen.
"Das bedeutet nicht, dass das Problem vollständig gelöst ist und wir alle nach Hause gehen können", sagt Greger. "Es bedeutet, dass es funktioniert, und wir müssen es jetzt verfeinern, damit Menschen mit" Locked-In "-Syndrom wirklich kommunizieren können."
„Der naheliegende nächste Schritt - und das tun wir gerade - besteht darin, dies mit größeren Mikroelektrodengittern zu tun. Wir können das Gitter größer machen, mehr Elektroden haben und eine enorme Datenmenge aus dem Gehirn herausholen, was wahrscheinlich mehr Wörter und eine bessere Genauigkeit bedeutet “, sagt Greger.
„Dies ist ein Proof of Concept. Wir haben bewiesen, dass diese Signale Ihnen sagen können, was die Person weit über dem Zufall sagt. Aber wir müssen in der Lage sein, mehr Wörter genauer zu schreiben, bevor es für einen Patienten wirklich nützlich sein kann “, fügt er hinzu.
Da die Methode wesentlich verbessert werden muss und Elektroden am Gehirn angebracht werden müssen, geht Greger davon aus, dass es einige Jahre dauern wird, bis klinische Studien mit gelähmten Menschen vorliegen, die nicht sprechen können.
Es besteht jedoch die Hoffnung, dass die kontinuierliche Forschung in diesem Bereich irgendwann zu einem drahtlosen Gerät führen wird, das die Gedanken einer Person in computergesprochene gesprochene Wörter umwandeln kann, sagt Greger. Derzeit können Personen, die „eingesperrt“ sind, nur durch Bewegung kommunizieren, z. B. durch Blinzeln eines Auges oder leichtes Bewegen einer Hand oder durch sorgfältige Auswahl von Buchstaben oder Wörtern aus einer Liste.
Zu den Kollegen der Universität von Utah, die die Studie mit Greger durchgeführt haben, gehörten die Elektrotechniker Spencer Kellis, ein Doktorand, und Richard Brown, Dekan des College of Engineering; und Paul House, ein Assistenzprofessor für Neurochirurgie. Ein weiterer Mitautor war Kai Miller, Neurowissenschaftler an der University of Washington in Seattle.
Die Forschung wurde von den National Institutes of Health, der Defense Advanced Research Projects Agency, der University of Utah Research Foundation und der National Science Foundation finanziert.
DasJournal of Neural EngineeringIn der September-Ausgabe wird die Studie von Greger veröffentlicht, die die Machbarkeit der Übersetzung von Gehirnsignalen in computergestützte Wörter zeigt.
Quelle: Universität von Utah
