Sprechen ohne Stimme – Kommunikation durch Brain-Computer-Interfaces
Brain-Computer-Interfaces (BCIs) werden zunehmend für diverse Bereiche und Patientengruppen in der rehabilitativen Versorgung entwickelt (1). Vielversprechend sind sie beispielsweise im Kontext von Sprachlähmungen (2, 3), da sie Menschen, die nicht mehr kommunizieren können, eine Chance zum sprachlichen Austausch bieten. Speziell bei Schlaganfallpatienten und Menschen mit Amyotropher Lateralsklerose (ALS) ist der Verlust der Sprachfähigkeit eine Einschränkung der Lebensqualität, die durch BCI-Technologien womöglich wiedererlangt werden kann (4, 5). Worin genau besteht das Potenzial und welche Perspektiven bieten technische Kommunikationssysteme wie BCIs für die rehabilitative Versorgung von Patienten mit Sprachverlust?
Wenn die Sprache versagt
Ursachen für den Verlust der Sprechfähigkeit sind oft neurologisch, entweder als Folgeschaden durch eine gestörte Blutversorgung des Gehirns oder einer Erkrankung des motorischen Nervensystems. ALS ist ein Beispiel für letzteres. Jährlich erkranken in Deutschland ein bis zwei von 100.000 Personen, meist ab einem Alter von 50 Jahren, an der Nervenkrankheit; die Anzahl Betroffener weltweit steigt zunehmend. Die Lebenserwartung ist bei ALS-Patienten um einige Jahre verkürzt, wobei die Krankheit unterschiedlich voranschreitet. Erste Symptome zeigen sich häufig im Bereich der Sprechmuskulatur (6). Die Unterstützung beim und Alternativen für den sprachlichen Austausch sind daher im Kontext einer frühzeitigen Bewältigung der Krankheit und Aufrechterhaltung der Lebensqualität von besonderer Bedeutung. Aktuell wird dies durch Logopädie und Kommunikationshilfen wie Buchstabentafeln oder Sprach-Apps gefördert. Die Intensität der Behandlung hängt vom Schweregrad der Krankheit ab. Ein ähnliches Schicksal erleiden Schlaganfallpatienten. Dieser tritt in Deutschland pro Jahr bei rund 88.922 Menschen auf. Durch Zellschäden können Betroffene hier ebenso die Sprechfähigkeit verlieren, wie es bei ALS-Patienten der Fall ist. Ungefähr ein Viertel dieser Menschen ist auf eine umfassende rehabilitative Versorgung angewiesen (7). Im Jahr 2015 betrugen die Krankheitskosten für Schlaganfall-Patienten 969 Millionen Euro (8).
BCIs verleihen Stimme
Über die klassischen rehabilitativen Maßnahmen hinaus bietet der Einsatz von BCI-Elektroden in der Therapie von akuten Sprachlähmungen oder -einschränkungen vielversprechende Potentiale (2, 3). Über die Messung und Verarbeitung der Gehirnaktivität können technische Sprachsysteme gelenkt werden (2, 3). Die reine Vorstellung von dem, was kommuniziert werden will, kann so dazu führen, dass durch die computer-basierte Messung und Verarbeitung der Gehirnströme Worte ausgegeben werden. Ein kalifornisches Forscherteam hat einen neuronalen Decoder entwickelt, der die mechanischen und klanglichen Codes des menschlichen Gehirns in hörbare Sprache umwandelt. Vergleichbare Technologien erreichten bisher auf Basis eines anstrengenden und zeitintensiven Lernverfahrens lediglich, dass ein Cursor an einem Computer durch verbundene Elektroden Buchstaben ansteuert und Wörter bildet (4). Pro Minute sind dies nur bis zu zehn, während die übliche Zahl bei 150 Wörtern pro Minute liegt. Der neue Ansatz aus San-Francisco verspricht eine flüssige Kommunikation, die womöglich in Zukunft diese normale Sprechgeschwindigkeit erreichen kann. Der gekoppelte Computer erzeugt intuitiv Sprache „quasi wie ein künstlicher Kehlkopf“ (2, 3). BCI-Systeme bieten somit nicht nur eine individuelle Perspektive für Betroffene mit Sprachverlust, sondern auch für die Qualität insbesondere der rehabilitativen Versorgung sowie langfristige Kosteneinsparungen aufgrund einer erleichterten, effektiven Nachbehandlung.
Sprachliche und technische Komplexität
Die menschliche Sprache ist sehr komplex. Eine präzise Dekodierung aus elektrischen neuronalen Signalen des Gehirns ist daher eine große Herausforderung. Alternative Kommunikation mittels BCIs ist mit einem hohen kognitiven Lernaufwand für Betroffene und folglich einer aufwendigen Einarbeitung sowie technischen Auseinandersetzung und Expertise auf Seiten betreuender Health Professionals verbunden. Diese Aufwände sind wiederum notwendig, damit die Technologie weiterentwickelt werden kann (1, 4). Die Verbesserung von Qualität und Präzision der BCIs geht wiederum mit einem hohen, nicht konkret einschätzbarem (Kosten-)Aufwand einher. Klassische Hilfsmittel wie Kommunikationstafeln oder Apps sind zurzeit zwar weniger präzise, aber kostengünstiger und vermehrt im Einsatz (1).
Weitreichende Perspektiven in der BCI-Kommunikation
BCI-basierte unterstützende Kommunikationssysteme stellen eine erhebliche Chance für die Rehabilitation bei ALS- und Schlaganfallpatienten mit Sprachverlust dar. Sie bieten bei Voraussetzung einer umfangreichen Erforschung und Entwicklung für Betroffene die Möglichkeit präziser und qualitativ hochwertiger unterstützter Kommunikation (4). Diese Art der Nachsorge durch BCIs ist insbesondere bei Patienten mit fortgeschrittener Krankheit, bei denen Logopädie kaum noch hilfreich ist, eine Steigerung der Lebensqualität. Das Potenzial von BCIs ist aktuell schwer zu erfassen. Die Erforschung und Ausbesserung der Systeme ist daher unerlässlich für ihren Einsatz bei Patienten mit Sprachverlust. Zudem muss der Umgang für Anwender transparent und verständlich sein, weshalb Schulungen und Trainings für Health Professionals durch BCI-Entwickler notwendig sind. Die Integration von Sprachmodellen in die BCI-Kommunikation zeigt bereits erste Erfolge und gibt einen Ausblick auf das Verbesserungspotenzial von BCI-Systemen. Frühere Modelle können durch die Zusammenarbeit mehrerer Akteure – insbesondere Betroffene, Health Professionals und Experten aus der Medizintechnik – kombiniert und optimiert werden (9).
Quellen
- Elsahar Y, Hu S, Bouazza-Marouf K, Kerr D, Mansor A. Augmentative and Alternative Communication (AAC) Advances: A Review of Configurations for Individuals with a Speech Disability. Sensors (Basel). 2019;19(8). zum Original
- Ärzte Zeitung online. Brain-Computer-Interfaces. Wenn der Computer das Sprechen übernimmt Berlin: Springer Medizin Verlag GmbH; 2020 zum Original
- MEDICA Magazin. Wenn der Computer das Sprechen übernimmt 2020 zum Original
- Anumanchipalli GK, Chartier J, Chang EF. Speech synthesis from neural decoding of spoken sentences. Nature. 2019;568(7753):493-8. zum Original
- Milekovic T, Sarma AA, Bacher D, Simeral JD, Saab J, Pandarinath C, et al. Stable long-term BCI-enabled communication in ALS and locked-in syndrome using LFP signals. J Neurophysiol. 2018;120(1):343-60. zum Original
- Deutsche Gesellschaft für Muskelkranke e.V. (DGM). Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) 2020 zum Original
- Bundesministerium für Bildung und Forschung. 88.922 Menschen erkranken jährlich in Deutschland an einem Schlaganfall 2017 zum Original
- Statistisches Bundesamt. 4 Gesundheit. 2019. zum Original
- Speier W, Arnold C, Pouratian N. Integrating language models into classifiers for BCI communication: a review. J Neural Eng. 2016;13(3):031002. zum Original
