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Ein Mann mit dem Spitznamen „Pancho“, der einen Schlaganfall erlitt und nie gedacht hätte, jemals wieder sprechen zu können, kann sich dank eines revolutionären Gehirnimplantats wieder in zwei Sprachen (Englisch und Spanisch) ausdrücken. Der querschnittsgelähmte Patient verlor seine zerebralen Sprachfunktionen nicht und konnte so einen kleinen Teil der Kontrolle über seinen Stimmapparat behalten, was eine mehrsprachige Interpretation des Gehirnimplantats ermöglichte.
Hinter dieser technologischen und medizinischen Leistung steht ein Team aus Neurochirurgen und Spezialisten für künstliche Intelligenz der University of California. Die Ergebnisse ihrer Studie und ihres Experiments wurden am 20. Mai in der Zeitschrift veröffentlicht Naturbiomedizinische Technik.
Dieser Fortschritt könnte nicht nur einer großen Zahl von Patienten in derselben Situation helfen, sondern auch zu einem besseren Verständnis darüber führen, wie das menschliche Gehirn Sprache verarbeitet, und könnte sogar zu Geräten führen, die in der Lage sind, die Sprache von Menschen, die nicht in der Lage sind, verbal zu kommunizieren, vollständig wiederherzustellen . „ Diese neue Studie ist ein wichtiger Beitrag zum aufstrebenden Gebiet der Neuroprothetik zur Sprachwiederherstellung „, sagt Sergey Stavisky, ein Neurowissenschaftler an der University of California, der nicht an der Studie beteiligt war, gegenüber Nature.
Das Gehirnimplantat, das fehlende Teil zur Wiederherstellung der Sprache
Alles begann, als Pancho sich im Alter von etwa 30 Jahren mit dem Neurochirurgen Edward Chang zusammentat, um die langfristigen Auswirkungen des Schlaganfalls auf sein Gehirn zu untersuchen. In dieser Studie (veröffentlicht im Jahr 2021) implantierten Chang und sein Team eine Gehirn-Computer-Schnittstelle (die 128 Elektroden enthält) in den Bereich des Kortex, der für die Sprachverarbeitung verantwortlich ist. Anschließend wurden die von der Schnittstelle gesammelten Daten in auf einem Bildschirm lesbare Wörter umgewandelt.
Anschließend entwickelte das Team ein KI-System, das in der Lage ist, die Worte, die Pancho sagen wollte, in Echtzeit zu entschlüsseln. Unter der Leitung von Alexander Silva wurde das System mittels maschinellem Lernen trainiert. Dazu integrierten die Forscher in Zusammenarbeit mit dem Patienten zunächst 50 spanische Wörter, 51 englische Wörter sowie drei Wörter mit identischer Aussprache in beiden Sprachen. Nach und nach erweiterten sie den Wortschatz der Benutzeroberfläche.
Während dieses Trainings des Systems sah der Patient Wörter einzeln auf einem Bildschirm und musste versuchen, sie auszusprechen. Anschließend wählt das System für das erste Wort eines Satzes das Modul (Spanisch oder Englisch) aus, das dem neuronalen Muster entspricht, und bewertet die Übereinstimmungswahrscheinlichkeit. Beispielsweise könnte das Englischmodul das Wort „sie“ als wahrscheinlichstes erstes Wort in einem Satz auswählen und anschließend die Übereinstimmungswahrscheinlichkeit auf 70 % schätzen. Das Spanischmodul kann beispielsweise das Wort „estar“ auswählen und seine Übereinstimmung mit 40 % bewerten. Von dort aus versuchen beide Module, einen Satz zu konstruieren.
Die beiden Module basieren nicht nur auf der Übereinstimmung des neuronalen Musters, sondern berücksichtigen auch die Wahrscheinlichkeit, dass das zweite ausgewählte Wort auf das erste folgt. So konnte Pancho endlich klare Gespräche mit dem Forschungsteam führen. „ Nachdem wir zum ersten Mal einen dieser Sätze hervorgebracht hatten, lächelten wir einige Minuten lang », sagt Silva.
Überraschende und vielversprechende Ergebnisse
Die Studienergebnisse ermöglichten es den Wissenschaftlern auch, unerwartete Aspekte der Sprachverarbeitung im Gehirn zu entdecken. Tatsächlich deuteten einige frühere Experimente (bei denen nicht-invasive Geräte zum Einsatz kamen) darauf hin, dass verschiedene Sprachen bestimmte Bereiche des Gehirns aktivieren. Andererseits stellten die Autoren im Fall von Pancho fest, dass beim Sprechen des Patienten, sei es auf Spanisch oder Englisch, Aktivität im selben Bereich des Gehirns festgestellt wurde.
Siehe auch
Auch Panchos neurologische Reaktionen während der Tests schienen sich nicht von denen zweisprachiger Kinder zu unterscheiden, obwohl er bereits in den Dreißigern war, als er Englisch lernte. Wenn man alle Ergebnisse zusammenfasst, schlägt Silva vor, dass die verschiedenen Sprachen bestimmte neurologische Merkmale gemeinsam haben. Er kam daher zu dem Schluss, dass das System irgendwie verallgemeinert werden könnte und so anderen Menschen helfen könnte.
Obwohl an der Studie nur ein Teilnehmer beteiligt war und noch viel zu tun ist, „gibt es allen Grund zu der Annahme, dass diese Strategie in Zukunft präziser funktionieren wird, wenn sie mit anderen jüngsten Fortschritten kombiniert wird“, sagt Stavisky.
Kenji Kansaku, Neurophysiologe an der Dokkyo Medical University in Mibu (Japan), schlägt seinerseits vor, dass sich der nächste Schritt neben der Aufnahme von Teilnehmern auf das Studium von Sprachen „mit sehr unterschiedlichen artikulatorischen Eigenschaften“ des Englischen konzentrieren sollte, wie z Mandarin oder Japanisch. Silva gibt an, dass er sich bereits mit dieser Frage sowie dem „Code-Switching“ (dem Übergang von einer Sprache in eine andere während desselben Satzes) befasst. „
Im Idealfall möchten wir den Menschen die Möglichkeit geben, auf möglichst natürliche Weise zu kommunizieren », schließt er.
