Brain-Computer-Interface: ALS-Patient nutzt Hirnimplantat 19 Monate lang

Brain-Computer-Interfaces (BCIs) sollen Menschen mit schweren Lähmungen wieder Kommunikation und digitale Teilhabe ermöglichen. Im Labor funktioniert das inzwischen recht gut. Bislang fehlte aber der Nachweis, dass solche Systeme auch im häuslichen Alltag über lange Zeit zuverlässig laufen, ohne dass Forschende daneben stehen. Eine Studie im Journal „Nature Medicine“ will diesen Beleg nun liefern.

Das Team um Nicholas Card von der University of California, Davis, berichtet darin über einen 45-jährigen Mann mit Amyotropher Lateralsklerose (ALS), der nach Angaben der Autoren ein implantiertes BCI fast zwei Jahre lang nahezu täglich zu Hause genutzt hat. Der Patient ist stark dysarthrisch, kann also kaum noch verständlich sprechen. Vor der Implantation kommunizierte er über einen gyroskopischen Head-Mouse-Aufsatz mit rund 6,3 Wörtern pro Minute. Bereits 2024 hatte dieselbe Arbeitsgruppe im „New England Journal of Medicine“ eine erste Version ihrer Sprachneuroprothese vorgestellt. Die neue Veröffentlichung dokumentiert die Weiterentwicklung zu einem im Alltag einsetzbaren System.

Schematische Darstellung des Aufbaus der Langzeitstudie: a) BCI-Steuerung von PC per Sprache, Handbewegungen und Eye-Tracking. b) Vier Elektroden-Arrays erfassen Hirnsignale, die in Wörter, Cursorbewegungen und Klicks umgewandelt werden. c) Beispiele der Bedienoberfläche (Spracheingabe, Bewertung, Korrektur). d) Nutzungsdauer des Systems über die Zeit. e) Verteilung der 3.801 Nutzungsstunden nach Anwendungsart.

(Bild: Nature Medicine )

Vier Arrays im Sprachmotorkortex

Im Sommer 2023 setzten die Chirurgen ihm vier Mikroelektroden-Arrays mit insgesamt 256 Kontakten in den linken ventralen präzentralen Gyrus ein, also in die Hirnregion, die Sprechbewegungen steuert. Über perkutane Kabel werden die Signale an ein Computersystem geleitet, das in der Wohnung auf einem fahrbaren Wagen steht. Aus demselben Hirnareal dekodiert das Team drei Modalitäten parallel: einen kontinuierlich laufenden Sprach-zu-Text-Decoder, eine zweidimensionale Cursorsteuerung und diskrete Klick-Gesten. Zwischen Sprach- und Mausmodus schaltet der Patient per Blicksteuerung um.

Bis Tag 281 nach der Implantation musste eine Forschungsassistentin bei jeder Sitzung dabei sein. Dann erlaubte eine Anpassung der Studiengenehmigung, dass auch die Pflegepersonen das System anschließen durften. Der tägliche Aufbau dauere seitdem etwa 20 Minuten, heißt es in der Veröffentlichung. Anschließend könne der Patient das BCI bis zu 19 Stunden am Stück ohne weitere Hilfe nutzen.

Fast zwei Millionen Wörter über 19 Monate

Über den gesamten Studienzeitraum von 653 Tagen nutzte der Patient das BCI an 444 Tagen und summierte dabei über 3.800 Stunden Nutzung; nach Aktivierung des unabhängigen Modus an Tag 281 waren es 364 von 397 möglichen Tagen. Im Schnitt kam er nach Beginn des unabhängigen Modus auf 9,5 Stunden täglich. Der Patient soll in dieser Zeit 183.060 Sätze mit insgesamt 1.960.163 Wörtern kommuniziert haben, bei einer mittleren Dekodierungsrate von 56,1 Wörtern pro Minute.

Die Genauigkeit bewertete der Patient selbst: Etwa 53 Prozent der Sätze waren laut Studie sofort vollständig korrekt, 26 Prozent größtenteils korrekt, knapp 13 Prozent konnte er über eine Korrekturoberfläche nachbessern. In standardisierten Copy-Tasks mit einem 125.000 Wörter umfassenden Vokabular gibt das Team eine Wortgenauigkeit von 99,2 Prozent an. Im Verlauf der Studie wechselte der Patient von vokalisiertem zu lautlosem Sprechen, bei dem er nur noch die Gesichtsmuskeln bewegt. Das war für ihn nach eigener Aussage weniger anstrengend und erhöhte die Geschwindigkeit von rund 30 auf über 50 Wörter pro Minute. Allerdings ging der Wechsel mit einem leichten Genauigkeitsverlust einher: Bei vokalisierter Sprache lag die Wortgenauigkeit im Benchmark bei über 99 Prozent (bei 30,6 Wörtern pro Minute), bei lautlosem Sprechen bei 96,5 Prozent (bei 49,7 Wörtern pro Minute).

Der Sprach-Decoder wandelt neuronale Signale alle 80 Millisekunden in Phonemwahrscheinlichkeiten um, ein Sprachmodell setzt daraus eine Wortfolge zusammen. Anfangs nutzte das Team ein Recurrent Neural Network (RNN), also ein neuronales Netz mit einer Art Kurzzeitgedächtnis, das seinen Zustand von einem Verarbeitungsschritt an den nächsten weitergibt. Solche Modelle eignen sich für sequenzielle Daten wie fortlaufende Hirnsignale.

Ab Tag 600 wechselten die Forschenden auf ein Transformer-Modell, das größere Kontextfenster parallel auswerten kann und laut den Autoren nahezu ohne tägliche Kalibrierung auskommt – optional kann der Patient zu Beginn eines Tages 0 bis 20 Kalibrationssätze sprechen, muss es aber nicht. Der Cursor-Decoder lief zunächst als lineares Modell, ab Tag 654 dann ebenfalls als RNN. Das verkürzte die tägliche Kalibrierzeit von rund 17 auf gut 9 Minuten. Eine eigens entwickelte Software namens BG Home integriert das BCI direkt in den Rechner des Patienten. Damit schreibt er nach eigenen Angaben E-Mails und Textnachrichten, surft im Internet, nimmt an Videokonferenzen teil und arbeitet in seinem Vollzeitjob. Ein Privacy-Modus erlaubt es ihm, das System per Knopfdruck abzuschalten. Eine Text-to-Speech-Komponente, die auf seine Stimme vor der Erkrankung trainiert ist, kann dekodierte Sätze auch akustisch ausgeben.

Stabile Signale über 19 Monate

Eine zweite Frage der Studie betraf die Haltbarkeit der Elektroden. Auch nach 19 Monaten lieferten laut Studie noch über 90 Prozent der Kontakte pro Array verwertbare Spike-Aktivität. Die Forschenden verglichen außerdem die sprachbezogene neuronale Modulation über die Zeit. Selbst bei Aufnahmen, die mehr als 18 Monate auseinanderliegen, blieb die Kosinus-Ähnlichkeit der Aktivierungsmuster über 0,6 – mit Ausnahme des dorsalen 6v-Arrays, das ohnehin kaum sprachbezogene Modulation zeigt und stattdessen stärker für die Cursorsteuerung relevant ist. Das Team wertet das als Hinweis auf stabile neuronale Repräsentationen über den beobachteten Zeitraum.

Alltagsnutzung als Meilenstein

Das Science Media Center (SMC) hat mehrere deutsche BCI-Fachleute um eine Einschätzung gebeten. Surjo R. Soekadar, Leiter der Arbeitsgruppe Klinische Neurotechnologie an der Charité Universitätsmedizin Berlin, sieht in der Arbeit einen wichtigen Schritt in Richtung praktischer Anwendung: „Während viele frühere Arbeiten die Leistungsfähigkeit solcher Systeme vorwiegend unter Laborbedingungen gezeigt haben, dokumentiert diese Studie eine langfristige und weitgehend unabhängige Nutzung im Alltag.“

Auch Thorsten Zander, Professor für Neuroadaptive Mensch-Maschine-Interaktion an der BTU Cottbus-Senftenberg hält den Schritt vom Labor in den Alltag für den eigentlichen Härtetest: „In der BCI-Forschung ist Alltagstauglichkeit der härtere Prüfstein als Spitzenleistung im Experiment. Die harte Währung ist hier nicht nur Wörter pro Minute, sondern Autonomie pro Tag.“ Was das System leistet, sollte aus seiner Sicht nicht überhöht werden: „Das System liest keine Gedanken im freien Sinn. Es rekonstruiert intendierte Sprachbewegungen und motorische Absichten aus Hirnaktivität und macht daraus Text, Stimme oder Computereingaben.“

Auch die Autoren der Studie selbst sehen Einschränkungen. So handele es sich um einen einzelnen Patienten, das System sei kabelgebunden, die perkutane Durchtrittsstelle durch die Haut sei eine mögliche Eintrittspforte für Krankheitserreger. „Zukünftige Systeme müssen unbedingt komplett implantierbar sein.“ Klinisch interessanter als ALS wären laut Jacob häufigere Erkrankungen wie der Schlaganfall.

(vza)