Neurologie: Gehirnimplantat ermöglicht stummem Mann zu sprechen

Eine Elektrode, die in das Gehirn eines Mannes implantiert wurde, der unfähig ist, sich zu bewegen oder zu kommunizieren, ermöglicht es ihm, einen Sprachsynthesizer zu benutzen, der Vokale produziert, wenn er sie denkt.

Den Wissenschaftlern zufolge könnte diese Arbeit eines Tages dazu beitragen, dass ähnliche Patienten mithilfe von Signalen ihres Gehirns ganze Sätze produzieren.

Frank Guenther von der Boston University und seine Kollegen arbeiteten mit einem Mann, der am Locked-in-Syndrom leidet, einer Erkrankung, bei welcher der Patient nahezu vollständig gelähmt ist und oftmals nur die Augenlider bewegen kann, dabei jedoch bei vollem Bewusstsein ist.

Zunächst mussten Guenther und sein Team feststellen, ob das Gehirn des Mannes dieselben Sprachsignale produzieren kann wie bei einer gesunden Person. Zu diesem Zweck scannten sie sein Gehirn mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) während er versuchte, bestimmte Worte zu sagen.

Nachdem sie gesehen hatte, dass die Signale dieselben waren, implantierten sie eine Elektrode - entworfen vom Neurowissenschaftler Philip Kennedy von Neuro Signals in Duluth, Georgia - in die Gehirnregion, in der Sprache produziert wird. Die Elektrode wird auf absehbare Zeit dort verbleiben.

Die Elektrode unterscheidet sich von anderen, die für Gehirncomputer-Interfaces genutzt und auf dem Schädel statt in einer bestimmten Hirnregion platziert werden. Diese Elektroden können sich bewegen, was es schwierig macht, die Aktivität immer derselben Neurone aufzuzeichnen oder sie für mehr als ein paar Monate an Ort und Stelle zu belassen.

Die Elektrode, die Guenthers Team verwendete, ist mit einem neurotrophischen Faktor imprägniert, der die Neuronen anregt, in und um die Elektrode zu wachsen, wodurch sie an ihrem Platz behalten wird und länger verbleiben kann.

Den Code entschlüsseln

Nachdem die Elektrode implantiert war, nutzte das Team ein Computer-Sprachmodell, das Guenther im Laufe der letzten 15 Jahre entwickelt hatte, um die Signale des Gehirns zu entschlüsseln und zu erkennen, welche Vokale der Mann denkt. Guenther präsentierte die Ergebnisse auf dem Meeting der Society for Neuroscience am 19. November in Washington DC (1).

Bislang ist der Patient in der Lage "drei Vokale ziemlich akkurat zu produzieren", sagt Guenther. Dies geschieht so schnell wie normale Sprache, fügt er an.

"Das langfristige Ziel für die nächsten fünf Jahre besteht darin, dass er das Interface nutzen kann, um direkt Worte zu produzieren", erklärt Guenther.

Die meisten bislang entwickelten Interfaces übertragen Signale von Hirnregionen, die Bewegungen entweder einer Armprothese (2) oder gar den Arm eines Individuum kontrollieren, wie kürzlich eine Studie (3) mit Affen gezeigt hat. Guenther zufolge ist dies das erste Gehirncomputer-Interface, das auf Sprache zugeschnitten ist.

Laut denken

Dorina Papgeorgiou, Neurowissenschaftlerin, die an der Decodierung von Sprache aufgrund von fMRT-Signalen am MD Anderson Cancer Center in Houston arbeitet, sagt, dass diese Forschung "eine innovative Arbeit" darstellt.

Hirnsignale für Sprache können jedoch auch mittels Elektroden, die auf dem Schädel positioniert sind, oder aufgrund von fMRT decodiert werden, und sie glaubt, dass für viele Patienten nichtinvasive Methoden die bessere Wahl als eine Hirnelektrode sind.

Guenther und seine Kollegen sehen es als Privileg an, an diesem Projekt beteiligt zu sein. "Zum ersten Mal sahen wir, dass jemand seine Fähigkeiten aufgrund dessen verbessern konnte, worüber wir jahrelang theoretisiert hatten", so Guenther.

Die Bemühungen freuen den Patienten ebenfalls. "Als wir das erste Mal kamen, um das System zu installieren, war er offensichtlich sehr aufgeregt - das kann man an den unwillkürlichen Bewegungen erkennen, und er versuchte uns die ganze Zeit anzusehen", sagt Guenther. Der Vater des Patienten sagte dem Team, "er hat wirklich Auftrieb bekommen".

Als nächstes will das Team den Computer so programmieren, dass er Konsonanten erkennen kann, was es Patienten ermöglichen würde, ganze Worte und selbst Sätze zu bilden. Sie hoffen ebenfalls, dass sie durch Entwicklungen der Technologie dem nächsten Patienten mehrere Elektroden implantieren können, um ein detailliertes Signal zu bekommen.

(1) Guenther, F. H. et al. Abstract 712.1, presented at Society for Neuroscience annual meeting 19 November 2008. Available at http://tinyurl.com/5j8qdk (2) Velliste, M. , Perel, S. , Chance Spalding, M. , Whitford, A. S. & Schwartz, A. B. Nature 453, 1098-1101 (2008) (3) Moritz, C. T. , Perlmutter, S. I. & Fetz, E. E. Nature Advance online publication doi:10.1038/nature07418 (2008)

Dieser Artikel wurde erstmals am 21.11.2008 bei news@nature.com veröffentlicht. doi: 10.1038/news.2008.1247. Übersetzung: Sonja Hinte. © 2007, Macmillan Publishers Ltd

Kerri Smith