Gert-Jan Oskam, 40 Jahre alt, brach sich 2011 bei einem Fahrradunfall das Genick.
Mit Hilfe einer "digitalen Brücke" stellten die Forscher die Verbindung zwischen Gehirn und Beinen wieder her, so dass Oskam auf natürliche Weise stehen und gehen konnte.
"Vor ein paar Monaten konnte ich zum ersten Mal nach 10 Jahren wieder aufstehen und mit meinen Freunden ein Bier trinken", so Oskam.
Die Studie, veröffentlicht in NatureWir haben diese Kommunikation mit einer digitalen Brücke zwischen Gehirn und Rückenmark wiederhergestellt, die es einer Person mit chronischer Tetraplegie ermöglicht, in der Gemeinschaft zu stehen und zu gehen", sagt er.
Forscher arbeiten seit mehreren Jahren an Schnittstellen zwischen Gehirn und Wirbelsäule, darunter ein Projekt 2016 die es einem gelähmten Affen ermöglichte, seine Beine zu bewegen, und eine andere, die Wiederherstellung des Gefühls in der Hand eines Mannes mit einer Rückenmarksverletzung.
Dies ist das bisher umfangreichste Projekt, das die wachsende Rolle der KI bei neuartigen medizinischen Anwendungen aufzeigt.
Entwicklung der Schnittstelle zwischen Gehirn und Wirbelsäule
Die "digitale Brücke" ist eine Schnittstelle zwischen Gehirn und Wirbelsäule, die neuronale Aktivitäten aus dem Gehirn abliest, sie in elektrische Signale umwandelt und sie über die Wirbelsäulenverletzung hinweg an gesunde Neuronen auf der anderen Seite weiterleitet.
Die meisten Rückenmarksverletzungen schädigen die Neuronen nicht direkt, sondern unterbrechen die absteigenden Bahnen, die das Gehirn mit der Wirbelsäule und dem peripheren Nervensystem verbinden.
Die Rolle der KI
Um die Verbindung zwischen dem Gehirn und den Beinen wiederherzustellen, wurden Elektroden an Oskams Gehirn angeschlossen, um die Elektrokortikographisch (EKoG) Gehirnaktivität.
Beim Gehen setzen wir Muskeln in der Hüfte, im Knie und im Knöchel ein - die Schnittstelle muss die Gehirnaktivität den verschiedenen Muskelgruppen im rechten und linken Bein zuordnen.
Bei früheren Projekten erwies sich die Analyse der Gehirnaktivität als schwierig, so dass es schwierig war, die Absicht eines jeden Gedankens vorherzusagen.
Hier hilft die künstliche Intelligenz: Forscher haben eine Methode zum Filtern und Entschlüsseln der Gehirnaktivität mithilfe von maschinellem Lernen (ML) entwickelt.
Die Forscher setzten Algorithmen ein, um zwei Funktionen zu erfüllen:
- Ein erstes Modell sagt die Wahrscheinlichkeit der Absicht voraus, ein bestimmtes Gelenk zu bewegen.
- Das andere Modell sagt die Amplitude und Richtung der Bewegung voraus.
Nachdem die Schnittstelle angepasst war, nahm Oskam an einem Trainingsprogramm teil, bei dem er visuelle Hinweise über eine Schnittstelle lesen musste.
Das Programm gab ihm Anweisungen, auf welche Bewegungen er sich konzentrieren sollte, und half dabei, das KI-Modell so zu kalibrieren, dass es seine Gedanken "entschlüsseln" und die richtigen Muskeln stimulieren konnte.
Die Ergebnisse
Die Forscher führten eine Reihe von Tests durch, darunter 6- und 10-minütige Testläufe, bei denen Oskam 100 m gehen konnte, Stehtests, Treppensteigen und Gehen über unebenes Gelände. Seine Gehfähigkeiten verbesserten sich deutlich und wurden mit jeder Trainingseinheit besser.
Außerdem wirkte sich die Schnittstelle langfristig auf Oskams Gehfähigkeit aus, selbst wenn sie ausgeschaltet war. Nach 40 Trainingseinheiten konnte Oskam sicherer mit seinen Gehhilfen gehen, was das Potenzial solcher Geräte für die langfristige Rehabilitation unterstreicht.
KI hat ähnliche Anwendungen in der Medizintechnik unterstützt, z. B. Gehirn-Computer-Schnittstellen, die Gedanken in Sprache verwandeln. Diese Geräte könnten Menschen, die eine Hirnverletzung oder eine neurodegenerative Krankheit wie die amyotrophe Lateralsklerose (ALS) erlitten haben, die Sprache wiedergeben.
Mit der Zeit werden diese Geräte einfacher zu entwickeln und zu installieren sein und könnten sogar ohne invasive Eingriffe funktionieren.
