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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„Walter“ kann Ziegel mit einem Gewicht von bis zu 52 kg heben © PORR/Jan Hrdý

Der Bauriese Porr testet auf einer Baustelle in Tschechien, wie weit sich das Mauern automatisieren lässt. Beim Wohnbauprojekt Kladno Living, rund 25 Kilometer westlich von Prag, setzt ein Roboter mit der Bezeichnung WLTR, intern „Walter“ genannt, tragende Wände und Wohnungstrennwände aus plangeschliffenen Akustikziegeln. Das Projekt umfasst fünf Gebäude mit 371 Wohnungen samt Garagenplätzen.

Im Testbetrieb hat das Unternehmen die Maschine bereits seit 2025. Sie hebt Ziegel mit einem Gewicht von bis zu 52 Kilogramm und positioniert sie laut Aussendung millimetergenau auf Basis des digitalen Projektmodells. Zwei Personen bedienen den 2,5 Tonnen schweren Roboter, der auf eine Reichweite von 3,5 Metern kommt und mit 1,5 kW auskommt. Die angegebene Produktivität liegt bei 7,5 Quadratmetern pro Stunde, maximal sind zehn möglich.

Planung ab Tag eins

Entscheidend war aus Sicht des Konzerns, dass „Walter“ schon zu Projektstart eingeplant wurde. Robotik auf der Baustelle verlange eine enge Abstimmung zwischen Planung, Statik, Auftraggeber und Baustellenteam, dazu eine eigene Logistik und ausreichend Bewegungsfläche. Die aktuelle Gerätegeneration schafft nach Angaben des Unternehmens nicht nur lange gerade Wände, sondern auch Ecken und Wandöffnungen.

Der Roboter mauert auf der Baustelle des Projekts Kladno Living in Tschechien © PORR/Jan Hrdý

„Bauen ist und bleibt ein People Business. Unser Ziel ist es nicht, Menschen zu ersetzen, sondern unseren Mitarbeitenden Werkzeuge an die Hand zu geben, die ihnen die besonders schweren Arbeiten erleichtern“, sagt Porr-CEO Karl-Heinz Strauss. Der Roboter arbeite unter Aufsicht geschulter Fachkräfte, der größte Nutzen liege im Übernehmen der körperlich anspruchsvollsten Tätigkeiten.

Zentrale Robotik-Einheit

Koordiniert werden Automatisierungsprojekte gruppenweit über das Team Construction Automation & Robotics (CAR), das robotergestütztes Mauern neben BIM, digitalem Baumanagement und datenbasierten Lösungen verantwortet. Jeder Anwendungsfall entstehe aus einem konkreten Bedarf der Baustelle. Die Erfahrungen aus Kladno sollen in weitere Projekte einfließen, kündigt Dušan Čížek, Geschäftsführer von Porr Tschechien & Slowakei, an. Neu ist die Stoßrichtung nicht: Im brutkasten-Interview „Irgendwann wird der Kranfahrer eine IT-Fachkraft sein“ argumentierte Strauss bereits, dass Robotik das Berufsbild am Bau verschiebt, statt es abzuschaffen.

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