In einer Weltpremiere haben US-Forscher:innen es erstmals geschafft, die Gehirnströme eines Menschen mit einer Sprechstörung mithilfe von Deep-Learning-Algorithmen in Sprache zu übersetzen.
Einem Menschen mit einer schweren Sprechstörung buchstäblich seine Sprache wiederzugeben, ist etwas ganz Besonderes. Genau das haben Forscher:innen der University of California in San Francisco geschafft.
Sie ermöglichten einem Mann, der aufgrund eines Schlaganfalls vor 15 Jahren seine Sprechfähigkeit verloren hatte, wieder zu kommunizieren. Möglich machte dies eine „Neuroprothese“. Dabei übersetzte ein Computer mithilfe von Deep-Learning-Algorithmen die Gehirnströme des Mannes in Wörter und Sätze.
Erste Hirn-zu-Sprache-Übersetzung der Geschichte
Die Studie (unter anderem von Facebook finanziert) ist im New England Journal of Medicine erschienen. Das erfolgreiche Ergebnis der Hirn-zu-Sprache-Übersetzung sei bislang weltweit einmalig, sagt Edward Chang, führender Autor der Studie.
„Unseres Wissens nach ist dies die erste erfolgreiche Demonstration einer direkten Dekodierung, bei der die Gehirnaktivität einer Person, die gelähmt ist oder nicht sprechen kann, in vollständige Wörter dekodiert wird.“
Der gelähmte Mann, der Bravo1 genannt werden möchte, ist Mitte 30 und kann seit seinem schweren Hirnstamminfarkt, seinen Kopf, Nacken und seine Glieder nur noch sehr eingeschränkt bewegen. Er leidet außerdem unter Anarthrie.
Kognitive Hirnfunktion als wissenschaftliche Grundlage
Anarthrie ist die schwerste Form der Dysarthrie, einer neurogenen Sprechstörung. Diese kann unter anderem nach Schlaganfällen oder durch Nervenkrankheiten wie Parkinson entstehen. Dabei können Personen gar keine Laute mehr bilden.
Doch obwohl Bravo1 gelähmt ist und nicht sprechen kann, ist seine kognitive Hirnfunktion noch intakt. Dies nutzten die Forscher:innen wiederum als Grundlage, um seine Gehirnimpulse über einen Computer in Sprache auslesen zu lassen.
Ganze Wörter statt Buchstaben
Normalerweise kommuniziert Bravo1 über einen Stift, der an einer Baseball-Kappe befestigt ist und mit dem er Buchstaben an einem Bildschirm tippt.
Bisherige Forschungsansätze haben sich auf Buchstaben-Kommunikation konzentriert. Doch nach Ansicht von Cheng und seinem Forschungsteam, ist dies im Vergleich mit gängiger Sprache sehr langsam. Menschen formulieren im Schnitt 150 bis 200 Wörter pro Minute.
In ihrem Experiment wollten die Wissenschaftler:innen sich daher auf ganze Wörter konzentrieren, um den Kommunikationsprozess zu beschleunigen.
Gehirnsignale in Sprache umwandeln
Dazu schuf das Team gemeinsam mit Bravo1 eine Grundlage mit 50 besonders wichtigen Wörtern, wie etwa „Wasser“, „Familie“ oder „gut“. Danach implantierten die Forscher:innen einen Elektroden-Array über das Sprachzentrum im Gehirn von Bravo1.
Anschließend sollte Bravo1 alle 50 Wörter versuchen zu sagen, während die Elektroden seine Gehirnsignale übertrugen. Diese Gehirnsignale wiederum fütterten die Forscher:innen an neuronale Netzwerke.
Und diesen brachten die Forscher:innen schließlich mithilfe Künstlicher Intelligenz bei, die Gehirnsignale in Sprache zu übersetzen. Die Wörter, die der Algorithmus entzifferte, wurden wiederum Wort für Wort auf einen Bildschirm übertragen.
Prozess fast fehlerfrei
Die Erfolgsquote war sehr hoch. Das System konnte bis zu 18 Wörter pro Minute mit bis zu 93 Prozent Fehlerfreiheit übertragen. Gemessen am gängigen Sprachrhythmus ist dies noch sehr langsam. Doch im Vergleich zu den vorigen Buchstabensystemen ist dies ein sehr hohes Tempo.
Hilfreich dabei war auch eine Art „Autokorrektur-Mechanismus“, bei dem das System Wörter „errät“ – ähnlich wie man es auch vom Tippen auf einem Smartphone kennt.
Menschen mit Sprechstörungen helfen
In der Vergangenheit hat das Forschungsteam ähnliche erfolgreiche Versuche mit Menschen mit eingeschränkten, aber noch vorhandenen Sprechfähigkeiten absolviert. Die neue Studienreihe namens Bravo, richtet sich nun an Menschen, die gar nicht mehr sprechen können.
Bravo1 ist der erste Proband dieser Studienreihe. Das Forschungsteam möchte aber künftig mit weiteren Menschen mit Lähmungen und verschiedenen Sprechstörungen arbeiten und außerdem sowohl den Wortschatz des Übersetzungscomputers als auch die Geschwindigkeit erhöhen.
Die Forscher:innen hoffen, dass Menschen, die ihre Sprechfähigkeit verloren haben, künftig wieder flüssig kommunizieren können. Jährlich verlieren Tausende von Menschen ihre Sprechfähigkeit aufgrund von Unfällen, Hirnschlägen oder Krankheiten.
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