Historischer wissenschaftlicher Durchbruch: Ein Patient mit fortgeschrittenem ALS konnte dank eines Gehirnimplantats kommunizieren

Brief für Brief konnte ein völlig gelähmter Mann zum ersten Mal seine Gefühle ausdrücken, damit seine Familie aufgeregt war, wenn er den Satz „Ich liebe meinen großartigen Sohn“ las.

Der Patient durchläuft das Endstadium der neurologischen Erkrankung amyotrophe Lateralsklerose (ALS), was zu extremer Isolation mit der Unmöglichkeit der Kommunikation führt, einschließlich. Menschen mit dieser Erkrankung verlieren die Kontrolle über ihre Muskeln und die Kommunikation kann unmöglich werden. Mit Hilfe eines implantierten Geräts, das die Signale aus seinem Gehirn liest, konnte dieser Mann laut den Forschern, die das Experiment durchgeführt haben, Buchstaben auswählen und Sätze bilden.

„Die Leute haben wirklich bezweifelt, ob dies überhaupt machbar ist“, sagte Mariska Vansteensel, Forscherin für Gehirn-Computer-Schnittstellen am Universitätsklinikum der Universität Utrecht, die nicht an der Studie teilgenommen hat Natur Communication s.“ Wenn das neue Rechtschreibsystem für alle Personen zuverlässig ist, die vollständig gesperrt sind, und wenn es effizienter und erschwinglicher gestaltet werden kann, können sie sich wieder mit ihren Familien und Betreuungsteams verbinden „, fügte Reinhold Scherer, Neuroingenieur an der University of Essex, hinzu.

ALS zerstört die Nerven, die die Bewegung steuern, und die meisten Patienten sterben innerhalb von 5 Jahren nach der Diagnose. Wenn eine Person nicht mehr sprechen kann, kann sie mit einer Eye-Tracking-Kamera Buchstaben auf einem Bildschirm auswählen. Später im Krankheitsverlauf können sie mit subtilen Augenbewegungen Ja- oder Nein-Fragen beantworten. Wenn eine Person jedoch ihr Leben verlängert, kann sie Monate oder Jahre damit verbringen, zuzuhören, aber nicht zu kommunizieren, da sich selbst die Augen nicht bewegen können.

Im Jahr 2016 berichtete das Team von Vansteensel, dass eine Frau mit ALS Sätze mit einem Gehirnimplantat buchstabieren könnte, das Versuche entdeckte, ihre Hand zu bewegen. Diese Person hatte jedoch immer noch eine minimale Kontrolle über einige Augen- und Mundmuskeln. Es war nicht klar, ob ein Gehirn, das jegliche Kontrolle über den Körper verloren hat, die beabsichtigten Bewegungen konsequent genug signalisieren kann, um eine sinnvolle Kommunikation zu ermöglichen.

Revolutionäre Kommunikation

Der an der neuen Studie teilnehmende Patient, ein Mann mit ALS, der jetzt 36 Jahre alt ist, begann 2018 mit einem Forschungsteam an der Universität Tübingen (Deutschland) zu arbeiten, als er seine Augen noch bewegen konnte. Er teilte dem Team mit, dass er ein invasives Implantat wolle, um die Kommunikation mit seiner Familie, einschließlich seines kleinen Sohnes, aufrechtzuerhalten. Seine Frau und seine Schwester gaben ihre schriftliche Zustimmung zur Operation.

„Die Zustimmung zu dieser Art von Studie ist mit ethischen Herausforderungen verbunden. Dieser Mann hätte in der Zeit nach seiner letzten Kommunikation der Augenbewegung seine Meinung nicht ändern oder sich abmelden können „, sagte Dr. Eran Klein, Neurologe und Neuroethiker an der University of Washington, Seattle.

Die Forscher führten zwei Sätze quadratischer Elektroden mit einer Breite von 3,2 Millimetern in einen Teil des Gehirns ein, der die Bewegung steuert. „Als der Mann gebeten wurde, seine Hände, Füße, Kopf und Augen zu bewegen, waren die neuronalen Signale nicht konsistent genug, um Ja- oder Nein-Fragen zu beantworten“, sagte Ujwal Chaudhary, Biomedizinischer Ingenieur und Neurotechnologe bei der deutschen gemeinnützigen Organisation ALS. Stimme.

Nach fast 3 Monaten erfolgloser Bemühungen testete das Team Neurofeedback, bei dem eine Person versucht, ihre Gehirnsignale zu modifizieren und gleichzeitig in Echtzeit zu messen, ob sie Erfolg hat. Ein hörbarer Ton wurde höher, als sich das elektrische Abfeuern von Neuronen in der Nähe des Implantats beschleunigte, und niedriger, wenn es langsamer wurde.

Die Forscher baten den Teilnehmer, diesen Ton mit einer beliebigen Strategie zu ändern. Am ersten Tag konnte ich den Ton bewegen und am 12. Tag konnte ich ihn einem Zielton zuordnen. „Es war wie Musik im Ohr“, erinnert sich Chaudhary. Die Forscher passten das System an, indem sie nach den empfänglichsten Neuronen suchten und feststellten, wie sich jedes einzelne mit den Bemühungen der Teilnehmer veränderte.

Indem er die Tonhöhe hoch oder niedrig hielt, konnte der Mann Buchstabengruppen und dann einzelnen Buchstaben „Ja“ und „Nein“ anzeigen. Nach etwa 3 Wochen mit dem System legte er eine verständliche Strafe vor: eine Aufforderung an Pflegekräfte, seine Position zu ändern. Im folgenden Jahr machte er Dutzende von Sätzen in einem akribischen Tempo von etwa einem Zeichen pro Minute: „Gulaschsuppe und Erbsensuppe“. „Ich würde Tools Album gerne laut hören.“ „Ich liebe meinen coolen Sohn.“

Schließlich erklärte er dem Team, dass er den Ton modulierte und versuchte, seine Augen zu bewegen. Aber es war ihm nicht immer gelungen. Nur in 107 der 135 in der Studie berichteten Tage konnte eine Reihe von Zieltönen mit einer Genauigkeit von 80% erreicht werden, und nur in 44 dieser 107 Tage konnte ein verständlicher Satz erstellt werden.

„Wir können nur spekulieren“ darüber, was die anderen Tage passiert ist. Der Teilnehmer hat möglicherweise geschlafen oder war einfach nicht in der Stimmung. Vielleicht war das Signal vom Gehirn zu schwach oder variabel, um das Decodierungssystem des Computers optimal zu konfigurieren, das eine tägliche Kalibrierung erforderte. Die relevanten Neuronen sind möglicherweise in den Bereich der Elektroden eingedrungen und haben ihn verlassen „, sagt Co-Autor Jonas Zimmermann, Neurowissenschaftler am Wyss Center for Bioengineering and Neuroengineering in der Schweiz.

Trotzdem zeigt die Studie, dass es möglich ist, die Kommunikation mit einer Person aufrechtzuerhalten, die sich selbst einschließt, indem eine Schnittstelle an ihre Fähigkeiten angepasst wird, sagt Melanie Fried-Oken, die die Gehirn-Computer-Schnittstelle an der Oregon University of Science and Health studiert. „Es ist so gut. Aber Hunderte von Stunden seien damit verbracht worden, das kundenspezifische System zu entwerfen, zu testen und zu warten, sagt er. Wir sind bei weitem nicht in der Nähe, dies in einen Zustand unterstützender Technologie zu verwandeln, den eine Familie kaufen könnte „, erklärten die Experten.

„Die Demonstration wirft auch ethische Fragen auf. Für Menschen, die sprechen können, ist es ziemlich schwierig, über Präferenzen zur Pflege am Lebensende zu sprechen „, bemerkt Klein. „Können Sie eines dieser wirklich komplizierten Gespräche mit einem dieser Geräte führen, bei denen Sie nur drei Sätze am Tag sprechen können? Sie möchten hier sicherlich kein Wort oder ein Wort dort falsch verstehen.“ Laut Zimmermann habe das Forschungsteam festgelegt, dass die Gesundheitsversorgung des Teilnehmers nicht schnittstellenabhängig sein sollte. „Wenn die Ausgabe des Rechtschreibers 'meinen Lüfter ausschalten' würde, würden wir es nicht tun. Aber es liegt an den Familienmitgliedern, die Wünsche des Patienten so zu interpretieren, wie sie es für richtig halten „, erklärte er.

Die Chaudhary Foundation bemüht sich um Mittel, um mehreren anderen Personen mit ALS ähnliche Implantate zu verabreichen. Er schätzt, dass das System in den ersten 2 Jahren etwa 500.000 Dollar kosten würde. In der Zwischenzeit entwickeln Zimmermann und seine Kollegen ein Signalverarbeitungsgerät, das über Magnete am Kopf befestigt wird, anstatt sich in der Haut zu verankern, was ein Infektionsrisiko birgt.

Bisher haben Geräte, die Signale von außerhalb des Schädels lesen, keine Rechtschreibung zugelassen. Im Jahr 2017 kündigte ein Team an, die Ja- oder Nein-Reaktionen des Gehirns eines vollständig geschlossenen Teilnehmers mithilfe einer nichtinvasiven Technologie, die als funktionale Nahinfrarotspektroskopie bezeichnet wird, mit einer Genauigkeit von 70% klassifizieren zu können ( FNIR). Zwei Co-Autoren der neuen Studie, Chaudhary und der Neurowissenschaftler der Universität Tübingen, Niels Birbaumer, waren Teil dieses Teams. Andere Forscher haben jedoch Besorgnis über die statistische Analyse der Studie geäußert. Zwei Untersuchungen ergaben 2019 ein Fehlverhalten und zwei Dokumente wurden zurückgezogen. Die Autoren reichten eine Klage ein, um die Ergebnisse eines Fehlverhaltens anzufechten. Scherer, der der FNIRS-Studie skeptisch gegenüberstand, sagt, dass die Ergebnisse mit dem invasiven Gerät „definitiv stärker“ seien.

Forscher des Wyss Centers arbeiten weiterhin mit diesem Studienteilnehmer zusammen, aber seine Fähigkeit zu buchstabieren hat abgenommen und er beantwortet jetzt hauptsächlich Ja- oder Nein-Fragen, sagt Zimmermann.

„Das Narbengewebe um das Implantat herum ist teilweise schuld, da es die neuronalen Signale verdeckt. Kognitive Faktoren könnten ebenfalls eine Rolle spielen: Das Gehirn des Teilnehmers verliert möglicherweise die Fähigkeit, das Gerät zu steuern, nachdem es jahrelang seine Umgebung nicht beeinträchtigen kann. Das Forschungsteam ist jedoch bestrebt, das Gerät so lange zu warten, wie er es weiterhin verwendet „, sagt Zimmermann. „Es gibt diese enorme Verantwortung. Wir sind uns dessen sehr bewusst „, schloss er.

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