Neue KI erkennt an der Mimik, was im Gehirn passiert

Ob jemand Schmerzen hat, unter Stress steht oder sich von einer Narkose erholt, lässt sich am Gesicht erkennen. Kleine Veränderungen an den Augen, der Stirn oder rund um den Mund liefern Ärzten wichtige Hinweise. Bisher war das vor allem eine Frage von Erfahrung und genauer Beobachtung. Nun wird daraus ein KI-gesteuertes System, das diese Signale messbar macht.

Forschende des Cold Spring Harbor Laboratory in Long Island im Bundesstaat New York haben mit „Cheese3D“ eine Methode entwickelt, die feinste Bewegungen im Gesicht von Mäusen in 3D erfasst und mit der Aktivität im Gehirn verknüpft. Die Ergebnisse erschienen in Nature Neuroscience. Besonders erstaunlich: Über minimale Veränderungen der Mimik konnte das System erkennen, wie tief ein Tier in diesem Moment unter Narkose war – fast so genau wie ein EEG.

Feine Signale verbinden Mimik und Gehirn

Die Idee entstand laut Assistenzprofessorin Helen Hou aus einem praktischen Problem. Tierärzte können oft schon am Gesicht erkennen, wie es einem Tier geht. Bisher fehlte aber ein verlässliches System, das diese feinen Signale automatisiert und dennoch präzise messen kann. „Als ich mein Labor aufgebaut habe, wollten wir unbedingt das ganze Spektrum des Gesichtsverhaltens erfassen“, erzählt die Forscherin.

Cheese3D arbeitet mit sechs kleinen Hochgeschwindigkeitskameras. Sie filmen das Gesicht gleichzeitig aus mehreren Blickwinkeln und erfassen Augen, Ohren, Nase, Schnurrhaarkissen, Kiefer und beide Gesichtshälften. Da Mäuse ein kleines, kegelförmiges Gesicht haben, war das technisch deutlich schwieriger umzusetzen als beim Menschen.

Die Technik registriert 27 feste Gesichtspunkte und berechnet daraus 17 verschiedene Merkmale. Dazu gehören:

• Abstände zwischen Augen oder Ohren
• Winkel der Ohrstellung
• kleine Volumenveränderungen an Nase und Wangen
• Bewegungen von Kiefer und Mund beim Kauen

Die Aufnahmen entstehen mit 100 Bildern pro Sekunde. Die Genauigkeit liegt im Submillimeterbereich. Selbst Veränderungen von nur 2,66 Mikrometern konnten erkannt werden. Das ist deutlich feiner, als es die Wahrnehmung des menschlichen Auges zulässt.

Das Gesicht verrät, wie tief eine Narkose wirkt

Besonders spannend wurde es bei Mäusen unter Narkose. Schon kleine Veränderungen an Ohren, Augen und Nase zeigten, wie tief die Tiere schliefen oder ob sie wieder aufwachten.

Cheese3D nutzte diese Signale, um zu berechnen, in welchem Stadium der Narkose sich das Tier befand. Der Unterschied zwischen dem bisherigen Goldstandard EEG und dem KI-gesteuerten System war im Versuch statistisch nicht eindeutig nachzuweisen. Noch wichtiger: Das System erreichte diese Genauigkeit, ohne das Tier zusätzlich zu stören.

„Sehr subtile Veränderungen im Muskeltonus des Gesichts lehren uns viel“, so Hou. „Wir können die Narkosetiefe also nicht-invasiv über das Gesicht vorhersagen.“ Auch bestimmte Hirnwellen ließen sich aus den Gesichtsbewegungen ableiten. Im sogenannten Theta-Bereich des EEG, der beispielsweise die Gehirnströme im Tiefschlaf misst, erklärte die Mimik fast 58 Prozent der Veränderungen.

Auch beim Essen arbeitet das Gesicht wie ein Messinstrument

Alltägliche Abläufe wie die Nahrungsaufnahme konnte Cheese3D ebenfalls zuverlässig analysieren. Vom ersten Aufnehmen des Futters bis zum eigentlichen Zermahlen dauerte es im Schnitt 5,2 Sekunden. Je mehr Futter die Tiere bekamen, desto langsamer öffneten sie den Mund für das nächste Pellet. Das deutete auf eine zunehmende Sättigung hin.

Auffällig war außerdem eine kuriose Bewegung rund um das Auge: Beim Kauen trat das Auge leicht hervor, unter Haltern von Nagern als „Eye Boggling“ bekannt. Dieses wurde so erstmals präzise gemessen.

Das Gehirn steuert selbst winzige Signale in der Mimik

Die Forschenden untersuchten auch den Hirnstamm. Dort entstehen viele Signale, die die Gesichtsmuskeln steuern. Schon sehr schwache elektrische Reize lösten messbare Veränderungen aus. Bei einer sehr geringen Stromstärke von zehn Mikroampere war bereits eine deutliche Bewegung der Augenlider zu erkennen.

Selbst die Aktivität einzelner Nervenzellen konnte Cheese3D mit der Mimik in Verbindung bringen, so gemessen bei bestimmten Ohrbewegungen. Das Gesicht wurde damit zu einer Art Fenster ins Nervensystem.

Mimik könnte Diagnosen künftig genauer machen

Mäuse sind in der Hirnforschung ein wichtiges Modell, weil viele Steuerkreise für Gesichtsmuskeln bei Säugetieren ähnlich aufgebaut sind. Deshalb betreffen die Erkenntnisse aus der Studie nicht nur die Tierforschung. Die Mimik gehört auch beim Menschen zu den ersten Entwicklungsschritten nach der Geburt.

„Gesichtsbewegungen gehören zu den ersten Meilensteinen der Entwicklung. Wir können lächeln, lange bevor wir krabbeln oder laufen können“, erklärt Hou. Darum beschäftigt sich ihr Team inzwischen auch mit der Frage, wie Menschen soziale Mimik lernen. Antworten darauf könnten später helfen bei:

• der Überwachung von Narkosen
• der Einschätzung von Schmerzen
• der Beobachtung neurologischer Erkrankungen
• einem besseren Verständnis von Autismus und Verhaltenstherapie

Mit Cheese3D haben Helen Hou und ihre Kollegen ein Werkzeug geschaffen, das all diese Fragen deutlich präziser untersuchen kann.

Kurz zusammengefasst:

• Schon kleinste Veränderungen der Mimik können verraten, was im Gehirn passiert – etwa Schmerz, Angst oder wie tief eine Narkose wirkt.
• Das System „Cheese3D“ des Cold Spring Harbor Laboratory nutzt sechs Kameras und KI, um feinste Gesichtsbewegungen in 3D zu messen, und erreichte bei der Einschätzung der Narkosetiefe fast die Genauigkeit eines EEG.
• Die Forschung zeigt, dass das Gesicht ein wichtiges Fenster zum Nervensystem ist und später helfen könnte, Schmerzen, neurologische Erkrankungen oder Entwicklungsstörungen besser und objektiver zu erkennen.

Übrigens: Nicht nur die Mimik wird über Gehirnströme gesteuert – auch Resilienz lässt sich dort messen. Forschende zeigen, dass Menschen unter Stress dann stabil bleiben, wenn ihr Gehirn Reize gut filtert und das Sehzentrum geordnet arbeitet. Mehr dazu in unserem Artikel.

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