- Card NS, Wairagkar M, Iacobacci C, Hou X, Singer-Clark T, Willett FR, Kunz EM, Fan C, Nia MV, Deo DR, Srinivasan A, Choi EY, Glasser MF, Hochberg LR, Henderson JM, Shahlaie K, Brandman DM, Stavisky SD. An accurate and rapidly calibrating speech neuroprosthesis. medRxiv [Preprint]. 2024 Apr 10:2023.12.26.23300110. doi: 10.1101/2023.12.26.23300110. Update in: N Engl J Med. 2024 Aug 15;391(7):609-618. doi: 10.1056/NEJMoa2314132. PMID: 38645254; PMCID: PMC11030484.
Neuroprothetische Kommunikation bei ALS
Ein im NEJM veröffentlichter Artikel stellt neue Technologien vor, die die Kommunikation bei ALS wiederherstellen könnten: ein Durchbruch für gelähmte Patienten.
Eine unheilbare Krankheit mit tödlichem Ausgang
Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist eine progressive neurodegenerative Erkrankung, die durch die Degeneration von Motoneuronen im Gehirn und Rückenmark gekennzeichnet ist. Dies führt zu Muskelschwäche, Atrophie und schließlich zu Lähmungen; die meisten Patienten erliegen innerhalb von 3–5 Jahren nach Auftreten der Symptome einem Atemversagen. Obwohl die kognitiven Funktionen oft intakt bleiben, beeinträchtigt der Verlust der motorischen Fähigkeiten, einschließlich der Sprache, die Lebensqualität erheblich.
Jedes Jahr erkranken etwa 2 von 100.000 Menschen an ALS, wobei Männer etwas häufiger betroffen sind. Die Krankheit manifestiert sich typischerweise im Alter zwischen 40 und 70 Jahren. Die Krankheit kann sporadisch oder familiär auftreten, wobei in familiären Fällen Mutationen in Genen wie C9orf72, SOD1, TARDBP und FUS eine Rolle spielen. Die Pathophysiologie umfasst Exzitotoxizität, oxidativen Stress, mitochondriale Dysfunktion und Neuroinflammation, die alle zur Degeneration der Motoneuronen beitragen. Klinisch äußert sich ALS in asymmetrischer Schwäche der Gliedmaßen, bulbären Symptomen, Spastik und in einigen Fällen in kognitiven Beeinträchtigungen im Zusammenhang mit frontotemporaler Demenz.
Eine präzise und schnell kalibrierende Sprachneuroprothese
Eine bahnbrechende Studie, die im New England Journal of Medicine veröffentlicht wurde, untersucht das Potenzial von Neuroprothesen zur Wiederherstellung der Kommunikationsfähigkeit bei ALS-Patienten mit fortgeschrittener motorischer Beeinträchtigung. Die Studie konzentrierte sich auf einen Patienten mit fortgeschrittener ALS, der die willentliche Muskelkontrolle vollständig verloren hatte, einschließlich der Augenbewegungen, wodurch herkömmliche Kommunikationshilfsmittel unwirksam wurden.
Die Forscher implementierten eine intrakortikale Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI), die aus Mikroelektroden-Arrays bestand, die in den motorischen Kortex implantiert wurden. Dieses System zeichnete die neuronalen Signale auf, die mit Bewegungsversuchen verbunden waren, und übersetzte sie in Kommunikationsausgaben. Die Studie zeigte, dass der Patient trotz des Fehlens einer offensichtlichen motorischen Funktion in der Lage war, die neuronale Aktivität ausreichend zu modulieren, um die BCI zu steuern, was eine grundlegende Kommunikation ermöglichte.
Der Patient nutzte das BCI erfolgreich, um Buchstaben auszuwählen und Wörter durch einen Neurofeedback-Trainingsprozess zu bilden. Zunächst musste das System kalibriert werden, um neuronale Muster zu identifizieren, die bestimmten kognitiven Aufgaben entsprachen. Mit der Zeit verbesserte der Patient die Erzeugung kohärenter neuronaler Signale und erreichte eine Kommunikationsgeschwindigkeit, die zwar langsam war, aber eine sinnvolle Interaktion mit den Pflegekräften ermöglichte.
Wichtige Erkenntnisse: Erhalt der kognitiven Funktionen ohne motorische Kontrolle
Die Studie konnte beweisen, dass die für die Kommunikation notwendigen kognitiven Funktionen auch ohne körperliche Bewegung intakt bleiben. Diese Erkenntnis unterstützt die Möglichkeit, dass BCIs einen brauchbaren Kommunikationskanal für ALS-Patienten in einem Zustand vollständiger Blockade (CLIS) darstellen, in dem jegliche willentliche Muskelaktivität verloren geht.
Darüber hinaus berichtete die Studie, dass der Patient in der Lage war, persönliche Bedürfnisse und Vorlieben auszudrücken, was sein Gefühl der Autonomie verbesserte. Das Neuroprothesensystem zeigte über mehrere Monate hinweg eine stabile Leistung, was auf sein Potenzial für den Langzeiteinsatz hinweist. Die Forscher betonten auch die Anpassungsfähigkeit des Systems, das feinabgestimmt werden könnte, um die Kommunikationseffizienz zu verbessern, wenn sich die Bedürfnisse des Patienten weiterentwickeln.
Der erfolgreiche Einsatz von Neuroprothesen bei ALS stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Patientenversorgung dar. Er zeigt, dass BCIs die Kommunikationslücke für Menschen schließen können, die sich sonst nicht ausdrücken können. Diese Technologie verbessert nicht nur die Lebensqualität der Patienten, sondern verringert auch die psychische Belastung für Pflegepersonal und Familien. Es gibt jedoch noch einige Herausforderungen. Die chirurgische Implantation von Mikroelektrodenarrays ist mit Risiken verbunden, und die Technologie erfordert hochentwickelte Geräte und Fähigkeiten. Darüber hinaus ist die Kommunikationsgeschwindigkeit im Vergleich zur natürlichen Sprache begrenzt, was die Notwendigkeit weiterer technologischer Verbesserungen unterstreicht.
Zukunft der nicht-invasiven BCI-Technologien bei ALS
Die Studie eröffnet neue Wege für die Erforschung nicht-invasiver oder weniger invasiver BCI-Systeme mit dem Ziel, chirurgische Risiken zu reduzieren und gleichzeitig effektive Kommunikationsmöglichkeiten zu erhalten. Fortschritte bei den Algorithmen für maschinelles Lernen und der neuronalen Signalverarbeitung sollten die Genauigkeit und Geschwindigkeit von BCIs verbessern.
Darüber hinaus könnte die Integration von BCIs mit anderen unterstützenden Technologien Hybridsysteme schaffen, die die Kommunikationseffizienz maximieren. Laufende klinische Studien werden entscheidend sein, um die Sicherheit, Wirksamkeit und langfristige Praktikabilität dieser Geräte bei verschiedenen Patientengruppen zu ermitteln. Die aktuelle NEJM-Studie liefert überzeugende Beweise dafür, dass neuroprothetische Geräte bei ALS-Patienten mit vollständiger motorischer Lähmung ein gewisses Maß an Kommunikation wiederherstellen können.
Da es sich um eine Studie mit nur einem Probanden handelt, sind noch viele weitere Schritte und Tests erforderlich, um die Wirksamkeit und Sicherheit des Geräts zu bestätigen. Es ist derzeit noch nicht klar, ob die technische Leistung beim Fortschreiten der Krankheit aufrechterhalten werden kann. Es handelt sich jedoch um ein Hilfsmittel, das im Vergleich zu früheren Versionen äußerst benutzerfreundlich und beeindruckend schnell zu erlernen ist. Darüber hinaus umfasst der Wortschatz fast alle Wörter, die für ein normales Gespräch benötigt werden, und die aufgezeichnete Fehlerquote ist sehr niedrig.
Weitere Forschung und Entwicklung sind unerlässlich, um diese Systeme zu verfeinern und sie einem breiteren Spektrum von Patienten zugänglich zu machen, um letztlich die Lebensqualität der von dieser verheerenden Krankheit Betroffenen zu verbessern.
Rare Disease Day am 28. Februar 2025
Seit 2008 findet jedes Jahr Ende Februar der weltweite Tag der seltenen Erkrankungen statt. esanum begleitet den Tag und berichtet nicht nur über aktuelle Themen, sondern auch über mögliche Symptomkomplexe, Diagnostik, Therapieansätze und Orphan Drugs zur Behandlung von seltenen Krankheiten. Weitere Beiträge finden Sie im Themenspecial zum Rare Disease Day.