„Neuroproteză” restabilește cuvintele omului cu paralizie

„Neuroproteză” restabilește cuvintele pentru om cu paralizie

Cercetătorii de la UC San Francisco au dezvoltat cu succes o „neuroproteză a vorbirii” care a permis unui om cu paralizie severă să comunice în propoziții, traducând semnale din creierul său în tractul vocal direct în cuvinte care apar ca text pe un ecran.

Realizarea, care a fost dezvoltată în colaborare cu primul participant la un studiu de cercetare clinică, se bazează pe mai mult de un deceniu de efort realizat de neurochirurgul UCSF Edward Chang, MD, pentru a dezvolta o tehnologie care să permită persoanelor cu paralizie să comunice chiar dacă nu sunt în măsură. să vorbească pe cont propriu. Studiul apare pe 15 iulie în New England Journal of Medicine.

„Din câte știm, aceasta este prima demonstrație de succes a decodificării directe a cuvintelor complete din activitatea creierului unei persoane paralizate și care nu poate vorbi”, a declarat Chang, catedra de chirurgie neurologică Joan și Sanford Weill de la UCSF, Jeanne Robertson distins profesor , și autor principal al studiului. „Arată o promisiune puternică de a restabili comunicarea prin atingerea mecanismului de vorbire natural al creierului.”

În fiecare an, mii de oameni pierd capacitatea de a vorbi din cauza accident vascular cerebral, accident sau boală. Odată cu dezvoltarea ulterioară, abordarea descrisă în acest studiu ar putea într-o bună zi să permită acestor oameni să comunice pe deplin.

Traducerea semnalelor cerebrale în vorbire

Anterior, munca în domeniul neuroproteticii comunicării s-a concentrat pe restabilirea comunicării prin abordări bazate pe ortografie pentru a tasta litere una câte una în text. Studiul lui Chang diferă de aceste eforturi într-un mod critic: echipa sa traduce semnale destinate să controleze mușchii sistemului vocal pentru a vorbi cuvinte, mai degrabă decât semnale pentru a mișca brațul sau mâna pentru a permite tastarea. Chang a spus că această abordare atinge aspectele naturale și fluide ale vorbirii și promite o comunicare mai rapidă și organică.

„Cu vorbirea, în mod normal, comunicăm informații la o rată foarte mare, de până la 150 sau 200 de cuvinte pe minut”, a spus el, menționând că abordările bazate pe ortografie folosind tastarea, scrierea și controlul unui cursor sunt considerabil mai lente și mai laborioase. „A merge direct la cuvinte, așa cum facem aici, are avantaje mari, deoarece este mai aproape de modul în care vorbim în mod normal.”

În ultimul deceniu, progresul lui Chang către acest obiectiv a fost facilitat de pacienții de la Centrul de Epilepsie UCSF care erau supuși neurochirurgiei pentru a identifica originile convulsiilor lor folosind tablouri de electrozi așezați pe suprafața creierului lor. Acești pacienți, care aveau cu toții o vorbire normală, s-au oferit voluntar pentru a li se înregistra înregistrările cerebrale pentru activități legate de vorbire. Succesul timpuriu al acestor pacienți voluntari a deschis calea procesului actual la persoanele cu paralizie.

Anterior, Chang și colegii de la UCSF Weill Institute for Neurosciences au cartografiat tiparele de activitate corticală asociate cu mișcările tractului vocal care produc fiecare consoană și vocală. Pentru a traduce aceste constatări în recunoașterea vocală a cuvintelor complete, David Moses, Ph.D., inginer postdoctoral în laboratorul Chang și autor principal al noului studiu, a dezvoltat noi metode pentru decodarea în timp real a acestor tipare, precum și încorporarea modele de limbaj statistic pentru a îmbunătăți precizia.

Dar succesul lor în decodarea discursului la participanții care au putut vorbi nu a garantat că tehnologia ar funcționa la o persoană a cărei cale vocală este paralizată. „Modelele noastre aveau nevoie să învețe cartografierea între tiparele complexe de activitate cerebrală și vorbirea intenționată”, a spus Moses. „Asta reprezintă o provocare majoră atunci când participantul nu poate vorbi.”

În plus, echipa nu știa dacă semnalele cerebrale care controlează tractul vocal ar fi în continuare intacte pentru persoanele care nu au reușit să-și miște mușchii vocali de mulți ani. „Cel mai bun mod de a afla dacă acest lucru ar putea funcționa a fost să încerci”, a spus Moses.

Primele 50 de cuvinte

Pentru a investiga potențialul acestei tehnologii la pacienții cu paralizie, Chang a colaborat cu colegul Karunesh Ganguly, MD, Ph.D., profesor asociat de neurologie, pentru a lansa un studiu cunoscut sub numele de „BRAVO” (Brain-Computer Interface Restoration of Arm and Voce). Primul participant la proces este un bărbat în vârstă de 30 de ani, care a suferit un accident vascular cerebral devastator în urmă cu mai bine de 15 ani, care a afectat grav conexiunea dintre creierul său și tractul vocal și membrele sale. De la accidentare, el a avut mișcări extrem de limitate ale capului, gâtului și membrelor și comunică folosind un indicator atașat la o șapcă de baseball pentru a arunca litere pe un ecran.

Participantul, care a cerut să fie denumit BRAVO1, a lucrat cu cercetătorii pentru a crea un vocabular de 50 de cuvinte pe care echipa lui Chang l-ar putea recunoaște din activitatea creierului folosind algoritmi computerizați avansați. Vocabularul - care include cuvinte precum „apă”, „familie” și „bun” - a fost suficient pentru a crea sute de propoziții care exprimă concepte aplicabile vieții cotidiene a BRAVO1.

Pentru studiu, Chang a implantat chirurgical o matrice de electrozi de înaltă densitate peste cortexul motor al vorbirii BRAVO1. După recuperarea completă a participantului, echipa sa a înregistrat 22 de ore de activitate neuronală în această regiune a creierului în 48 de sesiuni și câteva luni. În fiecare sesiune, BRAVO1 a încercat să spună fiecare dintre cele 50 de cuvinte de vocabular de multe ori în timp ce electrozii înregistrau semnale cerebrale din cortexul său de vorbire.

Traducerea tentativei de vorbire în text

Pentru a traduce tiparele activității neuronale înregistrate în cuvinte specifice intenționate, cei doi autori co-conducători ai lui Moses, Sean Metzger și Jessie Liu, ambii studenți la bioinginerie în Chang Lab, au folosit modele de rețea neuronală personalizate, care sunt forme de inteligență artificială. Când participantul a încercat să vorbească, aceste rețele distingeu modele subtile în activitatea creierului pentru a detecta încercările de vorbire și a identifica ce cuvinte încerca să spună.

Pentru a-și testa abordarea, echipa a prezentat mai întâi BRAVO1 cu propoziții scurte construite din cele 50 de cuvinte din vocabular și i-a cerut să încerce să le spună de mai multe ori. În timp ce își făcea încercările, cuvintele erau decodificate din activitatea creierului său, unul câte unul, pe un ecran.

Apoi, echipa a trecut la îndemnarea lui cu întrebări precum „Ce mai faci astăzi?” și „Vrei niște apă?” La fel ca înainte, încercarea de discurs a lui BRAVO1 a apărut pe ecran. „Sunt foarte bun” și „Nu, nu mi-e sete”.

Chang și Moses au descoperit că sistemul a fost capabil să decodeze cuvintele din activitatea creierului cu o rată de până la 18 cuvinte pe minut, cu o precizie de până la 93% (75% mediană). Contribuția la succes a fost un model de limbaj aplicat de Moise, care a implementat o funcție de „corectare automată”, similară cu cea utilizată de software-ul pentru consumatori și de recunoaștere a vorbirii.

Moise a caracterizat rezultatele timpurii ale procesului drept o dovadă de principiu. „Am fost încântați să vedem decodarea exactă a unei varietăți de propoziții semnificative”, a spus el. „Am arătat că este de fapt posibil să facilităm comunicarea în acest mod și că are potențial de utilizare în setările conversaționale.”

În perspectivă, Chang și Moses au spus că vor extinde procesul pentru a include mai mulți participanți afectați de paralizie severă și deficite de comunicare. Echipa lucrează în prezent pentru a crește numărul de cuvinte din vocabularul disponibil, precum și pentru a îmbunătăți rata de vorbire.

Ambii au spus că, deși studiul s-a concentrat pe un singur participant și un vocabular limitat, aceste limitări nu diminuează realizarea. „Aceasta este o etapă tehnologică importantă pentru o persoană care nu poate comunica în mod natural”, a spus Moise, „și demonstrează potențialul acestei abordări de a da glas persoanelor cu paralizie severă și pierderea vorbirii.”

Dorim să vă informăm despre un alt proiect foarte interesant care ajută la câștigarea banilor în lumea modernă: Semnale de tranzacționare despre pompa de criptomonede viitoare pe Binance schimb de pe canalul Telegram secret al investitorilor. Urmăriți pe YouTube despre semnalele criptopompei și comercianții club VIP.