Η «Νευροπρόθεση» αποκαθιστά τις λέξεις στον άνθρωπο με παράλυση

Η «Νευροπρόθεση» αποκαθιστά τις λέξεις στον άνθρωπο με παράλυση

Οι ερευνητές στο UC San Francisco έχουν αναπτύξει με επιτυχία μια «νευροπρόθεση ομιλίας» που επέτρεψε σε έναν άνδρα με σοβαρή παράλυση να επικοινωνεί με προτάσεις, μεταφράζοντας σήματα από τον εγκέφαλό του στον φωνητικό σωλήνα απευθείας σε λέξεις που εμφανίζονται ως κείμενο σε μια οθόνη.

Το επίτευγμα, το οποίο αναπτύχθηκε σε συνεργασία με τον πρώτο συμμετέχοντα σε μια κλινική ερευνητική δοκιμή, βασίζεται σε πάνω από μια δεκαετία προσπάθειας του νευροχειρουργού UCSF Edward Chang, MD, για την ανάπτυξη μιας τεχνολογίας που επιτρέπει σε άτομα με παράλυση να επικοινωνούν ακόμη και αν δεν είναι σε θέση να μιλήσουν μόνοι τους. Η μελέτη εμφανίζεται στις 15 Ιουλίου New England Journal of Medicine.

«Εξ όσων γνωρίζουμε, αυτή είναι η πρώτη επιτυχημένη επίδειξη άμεσης αποκωδικοποίησης πλήρων λέξεων από την εγκεφαλική δραστηριότητα κάποιου που είναι παράλυτος και δεν μπορεί να μιλήσει», δήλωσε ο Τσανγκ, ο Πρόεδρος της Νευρολογικής Χειρουργικής Joan και Sanford Weill στο UCSF, Διακεκριμένος Καθηγητής Jeanne Robertson και ανώτερος συγγραφέας της μελέτης. «Δείχνει ισχυρή υπόσχεση για την αποκατάσταση της επικοινωνίας με τη χρήση των φυσικών μηχανών ομιλίας του εγκεφάλου».

Κάθε χρόνο, χιλιάδες άνθρωποι χάνουν την ικανότητα να μιλούν λόγω εγκεφαλικού επεισοδίου, ατυχήματος ή ασθένειας. Με την περαιτέρω ανάπτυξη, η προσέγγιση που περιγράφεται σε αυτήν τη μελέτη θα μπορούσε μια μέρα να επιτρέψει σε αυτούς τους ανθρώπους να επικοινωνήσουν πλήρως.

Μετάφραση εγκεφαλικών σημάτων σε ομιλία

Προηγουμένως, η εργασία στον τομέα της επικοινωνίας, η νευροπροθετική είχε επικεντρωθεί στην αποκατάσταση της επικοινωνίας μέσω προσεγγίσεων που βασίζονται στην ορθογραφία για την πληκτρολόγηση γραμμάτων ένα προς ένα σε κείμενο. Η μελέτη του Τσανγκ διαφέρει από αυτές τις προσπάθειες με κριτικό τρόπο: η ομάδα του μεταφράζει σήματα που προορίζονται να ελέγχουν τους μυς του φωνητικού συστήματος για την ομιλία λέξεων, και όχι σήματα για να κινούν το χέρι ή το χέρι για να επιτρέψουν την πληκτρολόγηση. Ο Τσανγκ είπε ότι αυτή η προσέγγιση αγγίζει τις φυσικές και ρευστές πτυχές του λόγου και υπόσχεται ταχύτερη και οργανική επικοινωνία.

«Με την ομιλία, συνήθως επικοινωνούμε πληροφορίες με πολύ υψηλό ρυθμό, έως 150 ή 200 λέξεις ανά λεπτό», είπε, σημειώνοντας ότι οι ορθογραφικές προσεγγίσεις που χρησιμοποιούν πληκτρολόγηση, γραφή και έλεγχο ενός δρομέα είναι σημαντικά πιο αργές και πιο επίπονες. «Το να πηγαίνεις κατευθείαν στα λόγια, όπως κάνουμε εδώ, έχει μεγάλα πλεονεκτήματα γιατί είναι πιο κοντά στον τρόπο που συνήθως μιλάμε».

Κατά την τελευταία δεκαετία, η πρόοδος του Τσανγκ προς αυτόν τον στόχο διευκολύνθηκε από ασθενείς στο Κέντρο Επιληψίας UCSF που υποβλήθηκαν σε νευροχειρουργική για να εντοπίσουν την προέλευση των κρίσεων τους χρησιμοποιώντας συστοιχίες ηλεκτροδίων τοποθετημένες στην επιφάνεια του εγκεφάλου τους. Αυτοί οι ασθενείς, όλοι οι οποίοι είχαν φυσιολογική ομιλία, εθελοντικά να αναλύσουν τις εγγραφές του εγκεφάλου τους για δραστηριότητα που σχετίζεται με την ομιλία. Η πρώιμη επιτυχία με αυτούς τους ασθενείς εθελοντές άνοιξε το δρόμο για την τρέχουσα δοκιμή σε άτομα με παράλυση.

Προηγουμένως, ο Τσανγκ και οι συνάδελφοί του στο Ινστιτούτο Νευροεπιστημών του UCSF Weill χαρτογράφησαν τα μοτίβα φλοιώδους δραστηριότητας που σχετίζονται με κινήσεις φωνητικών οδών που παράγουν κάθε σύμφωνο και φωνήεν. Για να μεταφράσει αυτά τα ευρήματα σε αναγνώριση ομιλίας πλήρων λέξεων, ο David Moses, Ph.D., μεταδιδακτορικός μηχανικός στο εργαστήριο Chang και επικεφαλής συγγραφέας της νέας μελέτης, ανέπτυξε νέες μεθόδους για την αποκωδικοποίηση αυτών των μοτίβων σε πραγματικό χρόνο, καθώς και ενσωμάτωση στατιστικά μοντέλα γλώσσας για τη βελτίωση της ακρίβειας.

Όμως η επιτυχία τους στην αποκωδικοποίηση της ομιλίας σε συμμετέχοντες που μπόρεσαν να μιλήσουν δεν εγγυόταν ότι η τεχνολογία θα λειτουργούσε σε ένα άτομο του οποίου το φωνητικό σύστημα είναι παράλυτο. «Τα μοντέλα μας χρειάστηκαν να μάθουν τη χαρτογράφηση μεταξύ σύνθετων προτύπων δραστηριότητας του εγκεφάλου και της προβλεπόμενης ομιλίας», δήλωσε ο Μωυσής. "Αυτό αποτελεί μεγάλη πρόκληση όταν ο συμμετέχων δεν μπορεί να μιλήσει."

Επιπλέον, η ομάδα δεν ήξερε αν τα εγκεφαλικά σήματα που ελέγχουν το φωνητικό σύστημα θα εξακολουθούν να είναι άθικτα για άτομα που δεν έχουν καταφέρει να μετακινήσουν τους φωνητικούς τους μυς για πολλά χρόνια. «Ο καλύτερος τρόπος για να μάθετε αν αυτό θα μπορούσε να λειτουργήσει ήταν να το δοκιμάσετε», είπε ο Μωυσής.

Οι πρώτες 50 λέξεις

Για να διερευνήσει τις δυνατότητες αυτής της τεχνολογίας σε ασθενείς με παράλυση, ο Chang συνεργάστηκε με τη συνάδελφο Karunesh Ganguly, MD, Ph.D., αναπληρωτή καθηγητή νευρολογίας, για να ξεκινήσει μια μελέτη γνωστή ως «BRAVO» (Brain-Computer Interface Restoration of Arm and Φωνή). Ο πρώτος συμμετέχων στη δοκιμή είναι ένας άντρας στα τέλη της δεκαετίας του '30 που υπέστη ένα καταστροφικό εγκεφαλικό εγκεφαλικό επεισόδιο πριν από περισσότερα από 15 χρόνια που έβλαψε σοβαρά τη σύνδεση μεταξύ του εγκεφάλου του και της φωνητικής οδού και των άκρων του. Από τον τραυματισμό του, είχε εξαιρετικά περιορισμένες κινήσεις στο κεφάλι, το λαιμό και τα άκρα και επικοινωνεί χρησιμοποιώντας ένα δείκτη που είναι προσαρτημένο σε ένα καπέλο του μπέιζμπολ για να σπρώξει γράμματα σε μια οθόνη.

Ο συμμετέχων, ο οποίος ζήτησε να αναφέρεται ως BRAVO1, συνεργάστηκε με τους ερευνητές για να δημιουργήσει ένα λεξιλόγιο 50 λέξεων που η ομάδα του Chang μπορούσε να αναγνωρίσει από την εγκεφαλική δραστηριότητα χρησιμοποιώντας προηγμένους αλγορίθμους υπολογιστών. Το λεξιλόγιο - το οποίο περιλαμβάνει λέξεις όπως "νερό", "οικογένεια" και "καλό" - ήταν αρκετό για να δημιουργήσει εκατοντάδες προτάσεις που εκφράζουν έννοιες που ισχύουν για την καθημερινή ζωή του BRAVO1.

Για τη μελέτη, ο Τσανγκ εμφύτευσε χειρουργικά μια συστοιχία ηλεκτροδίων υψηλής πυκνότητας πάνω από τον φλοιό του κινητήρα ομιλίας BRAVO1. Μετά την πλήρη ανάρρωση του συμμετέχοντα, η ομάδα του κατέγραψε 22 ώρες νευρικής δραστηριότητας σε αυτήν την περιοχή του εγκεφάλου σε 48 συνεδρίες και αρκετούς μήνες. Σε κάθε συνεδρία, ο BRAVO1 προσπάθησε να πει κάθε μία από τις 50 λέξεις λεξιλογίου πολλές φορές, ενώ τα ηλεκτρόδια κατέγραψαν σήματα εγκεφάλου από τον φλοιό ομιλίας του.

Μετάφραση απόπειρας ομιλίας σε κείμενο

Για να μεταφράσουν τα μοτίβα της καταγεγραμμένης νευρικής δραστηριότητας σε συγκεκριμένες λέξεις, οι δύο συν-επικεφαλής συγγραφείς του Μωυσή, ο Σαν Μέττζερ και η Τζέσι Λιου, και οι δύο μεταπτυχιακοί φοιτητές βιολογικής μηχανικής στο Chang Lab, χρησιμοποίησαν προσαρμοσμένα μοντέλα νευρικού δικτύου, τα οποία είναι μορφές τεχνητής νοημοσύνης. Όταν ο συμμετέχων προσπάθησε να μιλήσει, αυτά τα δίκτυα διέκριναν τα λεπτά μοτίβα στη δραστηριότητα του εγκεφάλου για να εντοπίσουν τις απόπειρες ομιλίας και να προσδιορίσουν ποιες λέξεις προσπαθούσε να πει.

Για να δοκιμάσει την προσέγγισή τους, η ομάδα παρουσίασε για πρώτη φορά στο BRAVO1 σύντομες προτάσεις από τις 50 λέξεις λεξιλογίου και του ζήτησε να προσπαθήσει να τις πει πολλές φορές. Καθώς έκανε τις προσπάθειές του, οι λέξεις αποκωδικοποιήθηκαν από την εγκεφαλική του δραστηριότητα, μία προς μία, σε μια οθόνη.

Στη συνέχεια, η ομάδα άλλαξε σε ερώτηση όπως "Πώς είσαι σήμερα;" και "Θα θέλατε λίγο νερό;" Όπως και πριν, η απόπειρα ομιλίας του BRAVO1 εμφανίστηκε στην οθόνη. «Είμαι πολύ καλός» και «Όχι, δεν διψάω».

Ο Τσανγκ και ο Μωυσής διαπίστωσαν ότι το σύστημα μπόρεσε να αποκωδικοποιήσει λέξεις από τη δραστηριότητα του εγκεφάλου με ρυθμό έως 18 λέξεις ανά λεπτό με ακρίβεια έως και 93 τοις εκατό (διάμεσος 75 τοις εκατό). Συνεισφέροντας στην επιτυχία ήταν ένα γλωσσικό μοντέλο που εφάρμοσε ο Μωυσής που εφάρμοσε μια λειτουργία «αυτόματης διόρθωσης», παρόμοια με αυτή που χρησιμοποιείται από το λογισμικό αναγνώρισης γραπτών μηνυμάτων και αναγνώρισης ομιλίας.

Ο Μωυσής χαρακτήρισε τα πρώτα αποτελέσματα της δοκιμής ως απόδειξη αρχής. «Είμαστε ενθουσιασμένοι που βλέπουμε την ακριβή αποκωδικοποίηση μιας ποικιλίας σημαντικών προτάσεων», είπε. "Έχουμε δείξει ότι είναι πραγματικά δυνατό να διευκολυνθεί η επικοινωνία με αυτόν τον τρόπο και ότι έχει δυνατότητα χρήσης σε συνομιλίες."

Κοιτώντας προς τα εμπρός, ο Τσανγκ και ο Μωυσής δήλωσαν ότι θα επεκτείνουν τη δοκιμή για να συμπεριλάβουν περισσότερους συμμετέχοντες που έχουν πληγεί από σοβαρή παράλυση και ελλείμματα επικοινωνίας. Η ομάδα εργάζεται επί του παρόντος για να αυξήσει τον αριθμό των λέξεων στο διαθέσιμο λεξιλόγιο, καθώς και να βελτιώσει τον ρυθμό ομιλίας.

Και οι δύο δήλωσαν ότι ενώ η μελέτη επικεντρώθηκε σε έναν μόνο συμμετέχοντα και σε ένα περιορισμένο λεξιλόγιο, αυτοί οι περιορισμοί δεν μειώνουν το επίτευγμα. «Αυτό είναι ένα σημαντικό τεχνολογικό ορόσημο για ένα άτομο που δεν μπορεί να επικοινωνήσει φυσικά», είπε ο Μωυσής, «και δείχνει τη δυνατότητα αυτής της προσέγγισης να δώσει φωνή σε άτομα με σοβαρή παράλυση και απώλεια ομιλίας».