Implantat-Chip für Gehirn-Computer-Schnittstelle. (BrainGate) Ein Mann, der aufgrund einer Rückenmarksverletzung, die er sich 2007 zugezogen hatte, vom Hals abwärts gelähmt war, hat gezeigt, dass er seine Gedanken kommunizieren kann, dank eines Gehirnimplantatsystems, das seine eingebildete Handschrift in tatsächlichen Text übersetzt.
Das Gerät – Teil einer langjährigen Forschungskooperation namens BrainGate - ist ein Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI), das verwendet künstliche Intelligenz (KI) zur Interpretation von Signalen neuronaler Aktivität, die beim Handschreiben erzeugt werden.
In diesem Fall schrieb der Mann – in der Studie T5 genannt und zum Zeitpunkt der Untersuchung 65 Jahre alt – nicht wirklich, da seine Hand und alle seine Gliedmaßen seit mehreren Jahren gelähmt waren Jahre.
Aber während des Experiments berichtet in Natur Anfang des Jahres , der Mann konzentrierte sich, als würde er schreiben – im Grunde dachte er darüber nach, die Buchstaben mit einem imaginären Stift und Papier zu schreiben.
Dabei zeichneten in seinem motorischen Kortex implantierte Elektroden Signale seiner Gehirnaktivität auf, die dann von Algorithmen auf einem externen Computer interpretiert wurden und die imaginären Stiftbewegungen von T5 dekodierten, die im Geiste die 26 Buchstaben des Alphabets und einige grundlegende Satzzeichen nachzeichneten .
„Dieses neue System nutzt sowohl die reichhaltige neuronale Aktivität, die von intrakortikalen Elektroden aufgezeichnet wird, als auch die Leistungsfähigkeit von Sprachmodellen, die, wenn sie auf die neuronal entschlüsselten Buchstaben angewendet werden, einen schnellen und genauen Text erzeugen können.“ sagt Erstautor der Studie ist Frank Willett, ein Forscher für Neuroprothetik an der Stanford University.
Ähnliche Systeme wurden im Rahmen von BrainGate entwickelt Transkribieren neuronaler Aktivität in Text Viele frühere Benutzeroberflächen haben sich jedoch auf unterschiedliche Gehirnmetaphern konzentriert, um anzugeben, welche Zeichen geschrieben werden sollen – beispielsweise das Tippen per Mausklick mit einem computergesteuerten Cursor, der vom Verstand gesteuert wird.
Es war jedoch nicht bekannt, wie gut die neuronalen Darstellungen der Handschrift – eine schnellere und geschicktere motorische Fähigkeit – im Gehirn erhalten bleiben könnten, noch wie gut sie für die Kommunikation mit einer Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI) genutzt werden könnten.
Hier zeigte T5, wie vielversprechend ein virtuelles Handschriftsystem für Menschen sein könnte, die praktisch jede unabhängige körperliche Bewegung verloren haben.
Ein Diagramm, wie das System funktioniert. (F. Willett et al., Natur , 2021, Erika Woodrum)
In Tests konnte der Mann Schreibgeschwindigkeiten von 90 Zeichen pro Minute (ca. 18 Wörter pro Minute) erreichen, mit einer Genauigkeit von etwa 94 Prozent (und bis zu 99 Prozent Genauigkeit bei aktivierter Autokorrektur).
Diese Rate ist nicht nur deutlich schneller als bei früheren BCI-Experimenten (mit Dingen wie virtuellen Tastaturen), sondern sie liegt auch fast auf dem gleichen Niveau wie die Tippgeschwindigkeit von Smartphone-Benutzern in der Altersgruppe der Männer – die etwa 115 Zeichen oder 23 Wörter pro Minute beträgt, so die Forscher sagen.
„Wir haben herausgefunden, dass das Gehirn seine Fähigkeit, feine Bewegungen vorzuschreiben, ein ganzes Jahrzehnt behält, nachdem der Körper seine Fähigkeit zur Ausführung dieser Bewegungen verloren hat.“ Willett sagt .
„Und wir haben gelernt, dass komplizierte beabsichtigte Bewegungen mit wechselnden Geschwindigkeiten und gekrümmten Flugbahnen, wie z. B. Handschrift, von den von uns verwendeten Algorithmen der künstlichen Intelligenz einfacher und schneller interpretiert werden können als einfachere beabsichtigte Bewegungen wie das Bewegen eines Cursors in einer Geraden.“ Weg mit gleichmäßiger Geschwindigkeit.'
Grundsätzlich sagen die Forscher, dass sich die Buchstaben des Alphabets in ihrer Form stark voneinander unterscheiden, sodass die KI die Absicht des Benutzers beim Zeichnen der Zeichen schneller entschlüsseln kann, im Vergleich zu anderen BCI-Systemen, die nicht Dutzende verschiedener Eingaben verwenden in der gleichen Weise.
Die imaginäre Handschrift des Mannes, wie sie vom System interpretiert wird. (Frank Willett)
Trotz des Potenzials dieser einzigartigen Technologie betonen die Forscher, dass das aktuelle System bisher nur einen Machbarkeitsnachweis darstellt und nur bei einem Teilnehmer nachgewiesen wurde, dass es funktioniert. Es handelt sich also definitiv nicht um ein vollständiges, klinisch brauchbares Produkt bis jetzt.
Die nächsten Forschungsschritte könnten darin bestehen, andere Personen in der Verwendung der Benutzeroberfläche zu schulen, den Zeichensatz um weitere Symbole (z. B. Großbuchstaben) zu erweitern, die Empfindlichkeit des Systems zu verfeinern und anspruchsvollere Bearbeitungswerkzeuge für den Benutzer hinzuzufügen.
Es gibt noch viel zu tun, aber wir könnten uns hier mit einer aufregenden neuen Entwicklung befassen, die Menschen, die diese Fähigkeit verloren haben, die Möglichkeit zur Kommunikation zurückgibt.
„Unsere Ergebnisse eröffnen einen neuen Ansatz für BCIs und zeigen, dass es möglich ist, schnelle, geschickte Bewegungen Jahre nach der Lähmung genau zu entschlüsseln.“ schreiben die Forscher .
„Wir glauben, dass die Zukunft intrakortikaler BCIs rosig ist.“
Über die Ergebnisse wird berichtet Natur .