15.07.2021

Durch Gehirnimplantat und Brain-Computer-Interface: Mann „spricht“ nach 15 Jahren wieder

Neue Entwicklungen in der Gehirnforschung lassen Menschen ohne die Fähigkeit zu sprechen Hoffnung schöpfen.
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Gehirnimplantat, UCSF, Schlaganfall, Reden, Sprechen, Denken Reden
(c) UC San Francisco (UCSF)/YouTube/Screenshot - US-Wissenschaftler mit Durchbruch beim Brain-Computer-Interface.

Wie das „New England Journal of Medicine“ berichtete, haben kalifornische Forscher ein Gehirnimplantat (Neuroprothese) entwickelt, das Signale des Hirns in Worte auf einem Computerbildschirm übersetzt. Damit eröffnet sich die Möglichkeit Menschen zu helfen, die die Fähigkeit zu sprechen aufgrund von Krankheiten oder Verletzungen verloren haben.

„Wir haben ein subdurales, hochdichtes Multielektroden-Array über dem Bereich des sensomotorischen Kortex implantiert, der die Sprache bei einer Person mit Anarthrie (Anm: Verlust der Fähigkeit, Sprache zu artikulieren) aufgrund eines Hirnstamm-Schlaganfalls kontrolliert“, beschreibt das Forscherteam in ihrem veröffentlichten Artikel. „Im Verlauf von 48 Sitzungen zeichneten wir 22 Stunden kortikale Aktivität auf, während der Teilnehmer versuchte, einzelne Wörter aus einem Vokabular von 50 Wörtern auszusprechen.“

Sätze mittels Wahrscheinlichkeit dekodieren

Dabei wurden Deep-Learning-Algorithmen verwendet, um Computermodelle für die Erkennung und Klassifizierung von Wörtern anhand von Mustern in der aufgezeichneten kortikalen Aktivität zu erstellen. „Wir wendeten diese Computermodelle sowie ein natürliches Sprachmodell an, das Wahrscheinlichkeiten für das nächste Wort aus den vorangegangenen Wörtern einer Sequenz ermittelt, um ganze Sätze zu dekodieren, während der Teilnehmer versucht, sie zu sagen“, so die Forscher weiter.

Um das Ganze zu testen, holten sich die Forscher der „University of California“ in San Francisco, die Hilfe eines Mannes in den Dreißigern, der durch einen schweren Schlaganfall 15 Jahre zuvor die Fähigkeit zu sprechen verloren hatte. Ihm wurde ein kleines rechteckiges Feld von Elektroden chirurgisch an der äußeren Oberfläche seines Gehirns angebracht.

UCSF-Video über die Neuroprothese

Im Laufe von 81 Wochen schlossen die Forscher einen Computer an das Array an, um die Gehirnaktivität des Mannes aufzuzeichnen, während er einzelne Wörter auf einem Bildschirm sah und sich vorstellte, sie laut auszusprechen. Anfangs konnten in 47 Prozent der Fälle die Worte genau identifiziert werden. Als die Wissenschaftler später Algorithmen zur Wortvorhersage einsetzten, die der „Auto-Suggest“-Funktion von E-Mail- und Textverarbeitungsprogrammen ähneln, stieg die Genauigkeit auf 76 Prozent.

Erste Worte aus Hirnaktivität

Die Technologie steht noch am Anfang – der Wortschatz eines Kindes in der Volksschule besteht aus mehreren Tausend Worten – stellt aber dennoch einen Durchbruch dar. „Unseres Wissens ist dies die erste erfolgreiche Demonstration der direkten Dekodierung ganzer Wörter aus der Hirnaktivität einer Person, die gelähmt ist und nicht sprechen kann“, sagte etwa Eddie Chang, Neurochirurg an der Universität und leitender Autor der Arbeit. „Es ist vielversprechend, die Kommunikation wiederherzustellen, indem man die natürliche Sprachmaschinerie des Gehirns anzapft.“

Gesponsert wird die Forschungsarbeit mitunter von Facebook. Das Unternehmen setzt seine Hoffnungen auf die Entwicklung eines nicht-invasiven, tragbaren Geräts, das Personen das Tippen durch Denken ermöglichen soll.

Mark Zuckerberg dazu: „Interessanter Meilenstein des Brain-Computer-Interface-Teams, das Facebook an der UCSF unterstützt hat: Ein Forschungsteilnehmer mit schwerem Sprachverlust war in der Lage, über eine Schnittstelle zu kommunizieren, die erkennt, was er zu sagen versucht, indem sie Gehirnsignale dekodiert, die von seinem motorischen Kortex an seinen Vokaltrakt gesendet werden. So etwas ist noch nie zuvor gemacht worden, und es ist großartig zu sehen, wie verschiedene neurowissenschaftliche Ansätze für Schnittstellen große Schritte nach vorne machen (ebenso wie unsere Arbeit, die Signale zu verstehen, die das Gehirn an die motorischen Neuronen in unseren Handgelenken sendet). Herzlichen Glückwunsch an das UCSF-Team zu diesem Fortschritt!“

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Der Prototyp auf dem PROTEAS-Forschungsgelände des Cyprus-Instituts in Zypern © Waldstein

„Ich habe erstmal aus Meerwasser destilliertes Wasser getrunken. Es schmeckte sehr gut“, berichtet Carl Albrecht Waldstein, Geschäftsführer der Wiener Seawater BV GmbH im brutkasten-Gespräch über die gelungene Inbetriebnahme der ersten solaren Meerwasser-Entsalzungsanlage des Desertgreener-Projekts in Limassol, Zypern.

Mit einer Kombination aus Parabolspiegeln und energetischem Recycling will man dem weltweiten Wassermangel, der aktuell über 2 Milliarden Menschen betreffe, begegnen. Was vor zwei Jahrzehnten an einer verdorrenden spanischen Küste als kühnes Gedankenspiel begann, soll nun globale Wucht entfalten.

Die Vision: Wasser für eine wachsende Welt

„Wir saßen am Ufer des Meeres an der spanischen Mittelmeerküste. Vor uns unendlich viel Meer und hinter uns trocknete alles aus. Also haben wir gesagt, das kann nicht sein, dass das Wasser vor uns die Probleme hinter uns nicht löst“, erinnert sich der Geschäftsführer an die Anfänge der Lösung eines der herausforderndsten Probleme unserer Zeit.

Die Technologie soll Süßwasser so günstig verfügbar machen, dass nicht nur Trinkwasser gesichert wird, sondern auch die wasserintensivere Landwirtschaft, Industrie und der Bergbau versorgt werden können. Bereiche, die klassische Entsalzung aus Kostengründen kaum bedient. Das Potenzial reicht laut Waldstein von der Rettung versalzter Agrarflächen über die Begrünung von Wüstenregionen bis zur Erzeugung von grünem Wasserstoff und Ammoniak als Dünger- und Treibstoffalternative.

Perspektivisch positioniert sich Desertgreener damit als Anbieter einer Basisinfrastruktur, die – wenn sie im großen Maßstab umsetzbar ist – wasserarmen Regionen weltweit neue wirtschaftliche und ökologische Entwicklungsmöglichkeiten eröffnen könnte.

Wasserkreislauf der Natur als Vorbild

Statt auf energieintensive Umkehrosmose zu setzen, soll die Anlage im Kleinen kopieren, was die Natur im Wasserkreislauf im Großen macht: Sonne verdampft Meerwasser, der Dampf kondensiert wieder zu Süßwasser. Bewegliche, der Sonne nachgeführte Spiegel bündeln dafür die Sonnenstrahlen direkt auf einen mit Meerwasser gefüllten Behälter und bringen es zum Kochen. Laut Unternehmen werden so über 90 Prozent der Sonnenenergie direkt genutzt.

Der entstehende, salzfreie Dampf wird von einer Turbine abgesaugt und in ein Röhrensystem gepresst. Dabei kondensiert er sofort wieder zu Wasser und gibt seine Wärme an das noch kochende Meerwasser zurück. „Wir schicken 83 Prozent der Energie ständig im Kreis“, erklärt Waldstein. Dadurch lasse sich mit derselben Menge Sonnenenergie ein Vielfaches an Wasser verdampfen, statt sie nach einmaliger Nutzung zu verlieren.

Finanzierung über Utility-Token

Um die kapitalintensive Serienproduktion nun vorzubereiten, meidet die Seawater BV GmbH bewusst Banken und Venture Capital. Man wolle unabhängig bleiben: „Wir wissen, wir stören auch viele“, so Waldstein. Stattdessen gelangt man über den Verkauf des eigenen „DGRX“ Utility-Tokens bereits an über zehn Millionen Euro, wie der Gründer im Interview erwähnt.

Verkauft wird der Token über die DGRX Sales GmbH, welche daraus wiederum schrittweise Anteile an der Seawater BV GmbH erwirbt (bis zu 24%). Weitere sechs Millionen Euro sollen nun über die Token-Finanzierung folgen, um die Serienproduktion voranzutreiben.

1,8-Milliarden-Bewertung von „Big Four“-Prüfungsgesellschaft

Zu den anvisierten Kunden zählen Regierungen, Kommunen sowie große Agrar- und Bergbaukonzerne. „Um den Markt mache ich mir null Sorgen. Wo ich hintippe, schreien die Leute, wann könnt ihr liefern“, kommentiert Waldstein die Nachfrage. Laut ihm bewertete eine „Big Four“-Prüfungsgesellschaft die Firma Ende 2025 mit 1,8 Milliarden US-Dollar. Mit der aktiven Pilotanlage steige der Wert laut Waldstein kalkulatorisch auf 2,9 Milliarden Dollar.

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