30.10.2023

Sleep Disorder: AI aus Innsbruck entdeckt gesundheitsgefährdende Schlafstörungen

Nächtliche Ausbrüche sind eine Folge von einer gestörten REM-Phase. Diese Schlafstörungen können erhebliche gesundheitsgefährdende Auswirkungen haben. Ein österreichisches Forschungsteam setzt daher auf künstliche Intelligenz, um Hinweise auf mögliche neurologische Erkrankungen zu finden.
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(c) Med Uni Innsbruck - Ein Innsbrucker Team hat einen KI-basierten Ansatz zur Erkennung von REM-Schlaf-Verhaltensstörungen entwickelt.

Es ist ein großes Thema in der Startup-Szene: Schlaf. Während sich manche damit brüsten, so wenig wie möglich zu schlafen, da es zum Wesen von Entrepreneurship gehöre, warnt die Forschung, nicht erst seit gestern, vor den Folgen von schlechter Schlafqualität. Dass dazu aber mehr gehört als die Anzahl an Stunden, die man schlafend verbringt, zeigt nun ein Innsbrucker Forschungsteam, das sich mit Schlafstörungen befasst.

Alptraum Schlafstörung

Schlafstörungen können die Nacht zum Alptraum werden lassen und sind auch ein zuverlässiger Vorbote für Parkinson und andere Erkrankungen des Nervensystems. Die Tiroler Schlafexperten haben daher diverse Technologien in einem neuen Diagnoseinstrument kombiniert und ein System entwickelt, das sogar auf EU-Ebene weiter entwickelt werden soll.

Menschen, die an einer Schlafstörung leiden, seien nicht sie selbst, wenn sie schlafen oder träumen, sagt Birgit Högl, Neurologin und Leiterin der Abteilung für Schlafstörungen an der Medizinischen Universität Innsbruck: „Sie werden zum Beispiel aggressiv oder gefährlich. Jeder, der mit ihnen das Bett teilt, kann mit einer aufgeplatzten Lippe oder einem blauen Auge enden. Und sie neigen auch dazu, sich selbst zu verletzen, zum Beispiel wenn sie aus dem Bett fallen“, sagt sie.

Isolierte REM-Schlaf-Verhaltensstörung

Diese nächtlichen Ausbrüche werden in der Regel durch eine sogenannte isolierte REM-Schlaf-Verhaltensstörung (iRBD) verursacht. REM, oder Rapid Eye Movement, bezeichnet das Schlafstadium, in dem sich ein gesunder Mensch normalerweise überhaupt nicht bewegt. Högl schätzt, dass einer von 100 Menschen an iRBD leidet, die Männer und Frauen gleichermaßen betrifft und häufiger bei älteren Menschen diagnostiziert wird. Genaue Zahlen seien allerdings schwer zu ermitteln, da die Betroffenen oft nichts von ihrer Erkrankung wissen und Patienten:innen, die mit entsprechenden Symptomen vorstellig werden, meist lange auf eine Untersuchung warten müssen.

Vor diesem Hintergrund hat Högls Forschungsgruppe ein Werkzeug entwickelt. In Zusammenarbeit mit Heinrich Garn und Bernhard Kohn vom Austrian Institute of Technology (AIT) wurde eine Hightech-Kamera mit Künstlicher Intelligenz ausgestattet, um iRBD-spezifische Bewegungen zu erkennen.

„Die Methode hat sich als so genau erwiesen, dass sie für den Einsatz im Krankenhaus geeignet ist“, sagt Matteo Cesari, Bioingenieur und Erstautor einer aktuellen Studie, die Teil des Projekts ist. Der österreichische Wissenschaftsfonds (FWF) finanzierte das Projekt, das mittlerweile zu einem EU-Projekt geworden ist, in dem die Forscher:innen die Technologie weiterentwickeln, um sie für Massenscreenings tauglich zu machen.

Neurodegenerativer Prozess

Die isolierte REM-Schlaf-Verhaltensstörung stellt nicht nur eine Gefahr für die Betroffenen und die in ihrer Nähe schlafenden Menschen dar, es gilt auch als empfindlichster und spezifischster Marker für absterbende Nervenzellen. Um diesen neurodegenerativen Prozess zu verlangsamen, sei es wichtig, ihn so früh wie möglich zu diagnostizieren.

Eine Schlafstörung ansich sei, dem Team nach, leicht zu erkennen; bei Störungen wie iRBD ist eine Diagnose viel schwieriger zu stellen. Im zweiten Fall sind die Muskeln während der REM-Phase nicht gelähmt, wie bei gesunden Menschen: „Die Beine und Arme von iRBD-Patienten neigen zu schnellen Zuckungen. Außerdem bewegen sie sich so, als würden sie im Liegen ihre Träume nachspielen“, beschreibt Högl die Symptome.

Die Schlafexpertin vermutet, dass es soziale Gründe hat, dass iRBD häufiger bei Männern diagnostiziert wird: Während viele Frauen alleinstehend sind und in späteren Lebensabschnitten alleine schlafen, teilen ältere Männer häufiger ihr Bett, sodass die Störung leichter gefunden wird. Im Allgemeinen bleibt sie jedoch oft unerkannt: „Manche Menschen wissen gar nicht, dass es nicht normal ist, all die Bewegungen, von denen man träumt, auch im Schlaf auszuführen“, erklärt Högl.

Ihr Tipp: Wer über 50 Jahre alt ist und sich plötzlich im Schlaf bewegt oder seltsam verhält (mit oder ohne Träume), ist gut beraten, ein Schlaflabor aufzusuchen. Zum einen könne der Arzt Medikamente verschreiben, die die Symptome der iRBD lindern. Zum anderen sei die Störung ein deutlicher Hinweis auf den Verlust von Nervenzellen und werde daher oft mit anderen Krankheiten in Verbindung gebracht.

Schlafstörungen bisher nur in Laboren diagnostizierbar

„Neunzig Prozent aller Patienten mit iRBD entwickeln eine neurodegenerative Erkrankung wie Parkinson, Lewy-Körperchen-Demenz oder multiple Systematrophie (MSA)“, sagt Högl. Oft geschieht dies im Laufe mehrerer Jahre.

Zurzeit wird auf diesem Gebiet viel geforscht, unter anderem von Ambra Stefani und ihren Kollegen aus Högls Abteilung. Sie alle wissen, dass bei Patient:innen, die an einer der oben genannten Krankheiten leiden, viele ihrer Nervenzellen bereits abgestorben sind. „Eine iRBD-Diagnose kann uns einen Vorsprung von zehn Jahren verschaffen. Aber das Schlaflabor ist derzeit das Nadelöhr“, weist die Neurologin auf die Schwachstelle im System hin, denn Schlafstörungen können aktuell nur dort zuverlässig diagnostiziert werden.

Zur Erklärung: Bei einer Polysomnographie werden bei einem schlafenden Menschen verschiedene Signale überwacht, unter anderem Gehirnaktivität (EEG), Augenbewegungen, Atemmuster, Geräusche, Muskeltonus und Körperhaltung. Die Daten werden gesammelt und manuell den verschiedenen Schlafstadien zugeordnet. Da dies sehr personal- und zeitaufwendig ist, müssen Patient:innen in Österreich ein Jahr oder länger auf einen Termin in einem Schlaflabor warten.

KI und eine Xbox-Kamera

Högls Forschungsgruppe hat sich dieses Mankos angenommen und eine automatisierte Lösung für die Diagnose von iRBD entwickelt. Ihr Ziel war es, ein Instrument zu entwickeln, das auch für das Screening gesunder Menschen verwendet werden kann, um das Risiko der Entwicklung einer neurodegenerativen Erkrankung frühzeitig zu erkennen.

„Die Time-of-Flight-Kamera, die wir für unsere Methode verwenden, wird auch als Kinect-Sensor in der Xbox-Konsole eingesetzt“, erklärt Cesari die Konstruktion. Die 3D-Kamera sendet Infrarotstrahlung aus, die vom Körper der schlafenden Person reflektiert wird.

Durch die Messung der reflektierten Signale kann der Abstand zwischen der Kamera und der Person berechnet werden. „Wir nehmen 30 Bilder pro Sekunde auf und ermitteln den Abstand für jedes Pixel. Wenn sich der Abstand ändert, wissen wir, dass sich die Person im Schlaf bewegt hat“, erklärt der Bioingenieur.

Vorhersagen mit einer Trefferquote von 87 Prozent

Für die Analyse dieser Kameradaten entwickelten die Forscher eine KI-basierte Lösung, um die manuellen Schritte so weit wie möglich zu minimieren. In ihrer Studie stellten Cesari und seine Kollegen die neueste Version des Systems vor, das die Analysedaten mehrerer Körperteile mithilfe eines maschinellen Lernmechanismus zusammenführt.

„Wir fassen die Bewegungen der Beine, des Rumpfes, der Hände und des Kopfes einer Person während des REM-Schlafs zusammen. Indem wir die Daten übereinanderlegen, erhalten wir die besten Ergebnisse“, erklärt der Forscher.

Die Erkennungsrate des Systems für iRBD-Patient:innen liegt bei 87 Prozent, was der – wesentlich ressourcenintensiveren – multifaktoriellen Untersuchung im Schlaflabor nahe komme. Für die Diagnose von iRBD muss das System allerdings die Bewegungsdaten aus der REM-Phase ermitteln. Zurzeit sind für diesen Schritt noch zusätzliche Messungen erforderlich.

Internationale Schlafstörungen-Allianz

„Wir arbeiten derzeit daran, daraus eine eigenständige Methode zu machen. Zu diesem Zweck koordinieren wir eine Studie mit 300 Probanden“, erläutert Cesari das Projekt, an dem Schlaflabore aus Deutschland, Italien, Spanien und Frankreich teilnehmen. Das Team versucht auch, die Hardware von derzeit zwei Kilogramm auf 13 Gramm zu verkleinern, um sie zu einem mobilen Gerät zu machen.

Die Vision des Teams ist es nämlich, ein „automatisiertes Schlaflabor für den Hausgebrauch“ zu entwickeln, das für umfassende Untersuchungen in der Bevölkerung eingesetzt werden könnte.

„Ein Mensch, der an iRBD erkrankt, braucht eine solide Diagnose, Beratung und Kontrolluntersuchungen“, betont Högl. „Sie sollten ihren Zustand verstehen und wissen, dass es möglich ist, das Fortschreiten einer neurodegenerativen Erkrankung zu verzögern.“

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Der neue Bauteil 4 des XISTA Science Parks © XISTA

Mit dem extra eingerichteten Shuttlebus kommt man von Wien recht gemütlich bis nach Maria Gugging, dem Teil von Klosterneuburg, in dem der Campus des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) zu Hause ist. Wo sich sonst Wohnhäuser und landwirtschaftliche Flächen abwechseln, ist ein moderner Science-Hub gewachsen, der 2024 auch von EU-Kommissionspräsidentin Ursula von der Leyen besucht wurde. Nun wurde der dazugehörige XISTA Science Park offiziell um einen neuen Bauteil erweitert.

v.l. LAbg. Bürgermeister Christoph Kaufmann, Uli Grabenwarter (Equity Investments at European Investment Fund), ISTA-Präsident Martin Hetzer, Geschäftsführerin tecnet equity Doris Agneter, Landeshauptfrau Johanna Mikl-Leitner, Hwst. Prälat Anton W. Höslinger, (Can.Reg, Propst des Stiftes Klosterneuburg), ecoplus Geschäftsführer Helmut Miernicki, Markus Wanko, XISTA und Superintendent Michael Simmer (Evangelische Kirche A.B. in Niederösterreich) © NLK Pfeiffer

3.000 Quadratmeter Forschungsfläche

Der von der Wirtschaftsagentur ecoplus unter der Leitung von Bernadette Schabbauer „on time und in budget“ errichtete Neubau erweitert die vermietbare Fläche um rund 3.000 Quadratmeter für Biotech- und Deep-Tech-Unternehmen. Rund 22 Millionen Euro soll die Errichtung des neuen Bauteils gekostet haben, wie auf Nachfrage von Landeshauptfrau Johanna Mikl-Leitner erwähnt wird. Damit möchte der Standort auf die steigende Nachfrage nach spezialisierten Chemie-, Zellkultur- und Mikrobiologielabors reagieren. Ein Großteil der neuen Flächen wird vorerst vom ISTA selbst beansprucht, mit dem Ziel, dort künftig bis zu vier Spinoffs unterzubringen.

„Im Kern steht die Entwicklung neuer Unternehmen aus der Forschung heraus“, erklärte Markus Wanko, Geschäftsführer von XISTA. Während das ISTA die naturwissenschaftliche Grundlagenforschung mit rund 90 Forschungsgruppen und 1.400 Mitarbeitenden abdeckt, übersetzt XISTA diese Erkenntnisse über den Science Park und den Venture-Arm XISTA Science Ventures in die Praxis.

Biotech-Startup Solgate zieht ein

Als erstes Unternehmen nutzt das Biotech-Startup Solgate die neu geschaffenen Laborflächen. Die Ausgründung des ISTA und des CeMM (Forschungszentrum für Molekulare Medizin) fokussiert sich auf die Entwicklung neuartiger Therapeutika, die gezielt auf Membran-Transportproteine wirken. Mit der Laborinfrastruktur vor Ort möchte das internationale Team unter der wissenschaftlichen Leitung von Enrico Girardi, der durch die neu bezogenen Räumlichkeiten führte, seine Pharma-Forschung direkt am Standort fortsetzen.

Laborflächen am ISTA-Gelände © ISTA

30. Investment von XISTA-Fund

Die Erweiterung fällt mit Fortschritten auf der Finanzierungsseite zusammen. Erst vor wenigen Tagen besiegelte der XISTA-Science-Venture-Fonds sein mittlerweile 30. Investment, wie Geschäftsführer Markus Wanko verrät. Genauere Details über den Deal möchte man aktuell noch nicht verraten.

Was man hingegen deutlich hervorheben möchte, ist der wirtschaftliche Hebel des Standorts. Bisher wurden laut eigenen Angaben über XISTA etwas mehr als 30 Millionen Euro in Startups investiert. „Die Unternehmen selbst haben das genutzt, um 300 Millionen Euro selbst einzuwerben. Also ich glaube, wir haben es geschafft, da ein System aufzubauen. Das funktioniert“, so Wanko über den Hebeleffekt von 1:10.

Die europäische Komponente

Unterstützt wird das Modell auch von europäischer Seite. Uli Grabenwarter vom European Investment Fund (EIF), der als Ankerinvestor bei XISTA Science Ventures Funds II fungiert, betonte: „Das Engagement des EIF spiegelt unser Vertrauen in die enge Anbindung von XISTA an führende Forschungseinrichtungen sowie in seinen langfristigen Ansatz im Deep-Tech-Bereich wider. Genau das, was Europas Innovationsökosystem braucht“.

Für das ISTA ist der Neubau ein zentraler Baustein der eigenen Translation. „Dieses Gebäude ist ein ganz essentieller Teil, dass wir eine Wirkung, die über die Forschung und die Labors hinausgeht, in die Gesellschaft hineinbringen“, hielt ISTA-Präsident Martin Hetzer fest.

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