„Neuroprotéza“ obnovuje slová pre človeka s paralýzou

„Neuroprotéza“ obnovuje slová pre človeka s paralýzou

Vedci z UC San Francisco úspešne vyvinuli „rečovú neuroprotézu“, ktorá umožnila mužovi s ťažkým ochrnutím komunikovať vo vetách a prekladať signály z jeho mozgu do hlasového traktu priamo do slov, ktoré sa na obrazovke zobrazujú ako text.

Výsledok, ktorý bol vyvinutý v spolupráci s prvým účastníkom klinického výskumného pokusu, vychádza z viac ako desaťročného úsilia neurochirurga UCSF, MD Edwarda Changa, vyvinúť technológiu, ktorá umožní ľuďom s paralýzou komunikovať, aj keď nie sú schopní hovoriť sami. Štúdia sa objavuje 15. júla v New England Journal of Medicine.

"Pokiaľ je nám známe, toto je prvá úspešná ukážka priameho dekódovania celých slov z mozgovej aktivity človeka, ktorý je paralyzovaný a nevie hovoriť," uviedla Chang, predsedníčka neurologickej chirurgie Joan a Sanford Weill na UCSF, významná profesorka Jeanne Robertson. a hlavný autor štúdie. "Ukazuje to silný prísľub obnovenia komunikácie preniknutím do prirodzenej rečovej mechaniky mozgu."

Tisíce ľudí každý rok stratia schopnosť hovoriť v dôsledku mozgovej príhody, nehody alebo choroby. S ďalším vývojom by prístup opísaný v tejto štúdii mohol jedného dňa umožniť týmto ľuďom plne komunikovať.

Prevod mozgových signálov do reči

Predtým sa práca v oblasti komunikačnej neuroprotetiky zameriavala na obnovenie komunikácie prostredníctvom pravopisných prístupov k typickému písaniu písmen v texte. Changova štúdia sa od týchto snáh líši kritickým spôsobom: jeho tím prekladá signály určené na kontrolu svalov hlasového systému na rozprávanie slov, a nie signály na pohyb pažou alebo rukou, ktoré umožňujú písanie. Chang uviedol, že tento prístup využíva prirodzené a plynulé aspekty reči a sľubuje rýchlejšiu a organickejšiu komunikáciu.

"S rečou bežne komunikujeme informácie veľmi vysokou rýchlosťou, až 150 alebo 200 slov za minútu," uviedol s tým, že prístupy založené na pravopise, ktoré využívajú písanie, písanie a ovládanie kurzora, sú podstatne pomalšie a prácnejšie. "Ísť rovno k slovu, ako to tu robíme, má veľké výhody, pretože je to bližšie k tomu, ako bežne hovoríme."

Za posledné desaťročie Changov pokrok smerom k tomuto cieľu uľahčili pacienti v epilepsickom centre UCSF, ktorí podstupovali neurochirurgiu, aby určili pôvod svojich záchvatov pomocou elektródových polí umiestnených na povrchu ich mozgu. Títo pacienti, z ktorých všetci mali normálnu reč, sa dobrovoľne nechali analyzovať svoje mozgové záznamy na aktivitu spojenú s rečou. Skorý úspech u týchto dobrovoľníkov pacientov pripravil pôdu pre súčasné skúšanie u ľudí s paralýzou.

Predtým Chang a kolegovia z UCSF Weill Institute for Neurosciences mapovali vzorce kortikálnej aktivity spojené s pohybmi hlasových ciest, ktoré vytvárajú každú spoluhlásku a samohlásku. David Moses, Ph.D., postdoktorský inžinier v laboratóriu Chang a hlavný autor novej štúdie, aby tieto poznatky pretavil do rozpoznávania reči celých slov, vyvinul nové metódy dekódovania týchto vzorov v reálnom čase a tiež ich začlenenie štatistické jazykové modely na zvýšenie presnosti.

Ale ich úspech v dekódovaní reči u účastníkov, ktorí boli schopní hovoriť, nezaručoval, že technológia bude fungovať u človeka, ktorého hlasový trakt je paralyzovaný. "Naše modely sa museli naučiť mapovať medzi zložitými vzorcami mozgovej aktivity a zamýšľanou rečou," uviedol Mojžiš. "To predstavuje veľkú výzvu, keď účastník nemôže hovoriť."

Tím navyše nevedel, či mozgové signály ovládajúce hlasový trakt budú stále nedotknuté pre ľudí, ktorí už dlhé roky nedokážu hýbať hlasovými svalmi. "Najlepším spôsobom, ako zistiť, či to môže fungovať, je vyskúšať to," uviedol Mojžiš.

Prvých 50 slov

Za účelom preskúmania potenciálu tejto technológie u pacientov s paralýzou uzavrel Chang spoluprácu s kolegom Karunesh Ganguly, PhD., Docentom neurológie, za účelom zahájenia štúdie známej ako „BRAVO“ (Brain-Computer Interface Restoration Hlas). Prvým účastníkom súdu je muž vo veku nad 30 rokov, ktorý pred viac ako 15 rokmi utrpel ničivú mozgovú príhodu, ktorá vážne poškodila spojenie medzi jeho mozgom a hlasivkami a končatinami. Od svojho zranenia mal extrémne obmedzené pohyby hlavy, krku a končatín a komunikuje pomocou ukazovateľa pripevneného k bejzbalovej čiapke na vypichovanie písmen na obrazovke.

Účastník, ktorý bol označený ako BRAVO1, pracoval s výskumníkmi na vytvorení 50-slovnej slovnej zásoby, ktorú Changov tím rozpoznal z mozgovej činnosti pomocou pokročilých počítačových algoritmov. Slovník - ktorý obsahuje slová ako „voda“, „rodina“ a „dobrý“ - stačil na vytvorenie stoviek viet vyjadrujúcich pojmy použiteľné v každodennom živote BRAVO1.

Pre túto štúdiu Chang chirurgicky implantoval pole elektród s vysokou hustotou do rečovej motorickej kôry BRAVO1. Po úplnom zotavení účastníka zaznamenal jeho tím 22 hodín nervovej aktivity v tejto oblasti mozgu počas 48 sedení a niekoľko mesiacov. V každej relácii sa BRAVO1 pokúsil mnohokrát povedať každé z 50 slovíčok, zatiaľ čo elektródy zaznamenali mozgové signály z jeho rečovej kôry.

Preložiť pokus o reč do textu

Na preloženie vzorov zaznamenanej nervovej aktivity do konkrétnych zamýšľaných slov použili Mojžišovi dvaja spoluautori, Sean Metzger a Jessie Liu, obaja absolventi bioinžinierstva v laboratóriu Chang, vlastné modely neurónových sietí, ktoré sú formami umelej inteligencie. Keď sa účastník pokúsil hovoriť, tieto siete rozlišovali jemné vzorce v mozgovej aktivite, aby detekovali pokusy o reč a identifikovali, ktoré slová sa snažil povedať.

Na otestovanie ich prístupu tím najskôr predstavil BRAVO1 krátkymi vetami zostavenými z 50 slovíčok a požiadal ho, aby ich skúsil povedať niekoľkokrát. Pri pokusoch boli slová po jednom dekódované z jeho mozgovej činnosti na obrazovke.

Potom tím prešiel k výzve, aby mu odpovedal na otázky typu: „Ako sa máš dnes?“ a „Dáte si vodu?“ Rovnako ako predtým sa na obrazovke objavil pokus o prejav BRAVO1. "Som veľmi dobrý" a "Nie, nie som smädný."

Chang a Moses zistili, že systém bol schopný dekódovať slová z mozgovej aktivity rýchlosťou až 18 slov za minútu s presnosťou až 93 percent (medián 75 percent). K úspechu prispel jazykový model, ktorý použil Mojžiš a ktorý implementoval funkciu „automatickej opravy“, podobnú tej, ktorú používa softvér na odosielanie textových správ a rozpoznávanie reči.

Mojžiš charakterizoval výsledky skorého súdu ako dôkaz princípu. "Boli sme nadšení, že sme videli presné dekódovanie rôznych zmysluplných viet," uviedol. "Ukázali sme, že je skutočne možné uľahčiť komunikáciu týmto spôsobom a že má potenciál na použitie v konverzačných podmienkach."

Chang a Mojsejová sa do budúcna vyjadrili, že rozšíria proces o ďalších účastníkov postihnutých ťažkou paralýzou a komunikačnými deficitmi. Tím v súčasnosti pracuje na zvýšení počtu slov v dostupnej slovnej zásobe a tiež na zlepšení rýchlosti reči.

Obaja uviedli, že hoci sa štúdia zamerala na jedného účastníka a obmedzenú slovnú zásobu, tieto obmedzenia neznižujú úspech. "Je to dôležitý technologický míľnik pre človeka, ktorý nemôže komunikovať prirodzene," uviedol Mojžiš, "a ukazuje potenciál tohto prístupu dať hlas ľuďom s ťažkou paralýzou a stratou reči."