Nowe badania pokazują, że implanty mózgowe mogą pomóc sparaliżowanym osobom „mówić” przez ekrany szybciej i dokładniej niż wcześniej.

CNN
—

Doktor Jimmy Henderson przez całe swoje dzieciństwo miał jedno życzenie: aby jego ojciec mógł z nim rozmawiać. Obecnie Henderson, neurobiolog i neurochirurg na Uniwersytecie Medycznym Stanforda, wraz ze współpracownikami opracowuje implanty mózgowe, które mogłyby spełniać podobne pragnienia innych osób sparaliżowanych lub z zaburzeniami mowy.

Dwa badania opublikowane w środę w czasopiśmie Nature pokazują, że implanty mózgowe, określane jako neuroprotezy, mogą rejestrować aktywność neuronalną osoby próbującej normalnie mówić, a aktywność mózgu można następnie odkodować na słowa na ekranie komputera, za pomocą mowy dźwiękowej lub nawet komunikacja za pomocą animowanego awatara.

„Kiedy miałem pięć lat, mój ojciec brał udział w druzgocącym wypadku samochodowym, w wyniku którego ledwo mógł się poruszać i mówić. „Pamiętam, że śmiałem się z dowcipów, które próbował opowiadać, ale jego zdolność mówienia była tak słaba, że ​​mogliśmy nie rozumiem żartów.” Badania.

Powiedział: „Dorastałem z nadzieją, że go poznam i będę się z nim komunikować”. „I myślę, że to wczesne doświadczenie rozbudziło moje osobiste zainteresowanie zrozumieniem, w jaki sposób mózg wytwarza ruch i mowę”.

Henderson i współpracownicy z Uniwersytetu Stanforda i innych amerykańskich instytucji zbadali zastosowanie czujników mózgowych wszczepionych 68-letniemu Patowi Bennettowi. W 2012 roku zdiagnozowano u niej stwardnienie zanikowe boczne, które wpływało na jej mowę.

W swoim badaniu naukowcy napisali, że Bennett mógł wykonywać pewne ograniczone ruchy twarzy i wydawać dźwięki, ale nie był w stanie wypowiadać zrozumiałej mowy z powodu stwardnienia zanikowego bocznego, rzadkiej choroby neurologicznej atakującej neurony w mózgu i rdzeniu kręgowym.

W marcu 2022 roku Henderson przeprowadził operację wszczepienia szeregu elektrod w dwa obszary mózgu Bennetta. Implanty rejestrowały aktywność neuronów, gdy Bennett próbował wykonywać ruchy twarzy, wydawać dźwięki lub wypowiadać pojedyncze słowa.

Tablice zostały przymocowane do przewodów wychodzących z czaszki i podłączonych do komputera. Oprogramowanie dekodowało aktywność neuronową, przekształcając ją w słowa wyświetlane na ekranie komputera w czasie rzeczywistym. Kiedy Bennett skończył mówić, nacisnęła przycisk, aby zakończyć dekodowanie.

Naukowcy ocenili ten interfejs mózg-komputer, podczas gdy Bennett próbował mówić artykulacją i używać wyłącznie słów „usta” bez artykulacji.

Naukowcy odkryli, że przy słownictwie składającym się z 50 słów wskaźnik błędów w dekodowaniu wynosił 9,1% w dni, w których Bennett mówił, i 11,2% w dni ciche. Przy stosowaniu słownictwa liczącego 125 000 słów wskaźnik błędów słownych wyniósł 23,8% we wszystkich dniach artykulacji i 24,7% w dniach ciszy.

„W naszej pracy pokazujemy, że przy użyciu dużej puli 125 000 możliwych słów możemy dekodować próby mówienia z współczynnikiem błędów wynoszącym 23%. Autor badania Frank Willett, naukowiec z stowarzyszonego laboratorium neuroprotetycznego Howarda Hughesa Medical Institute, powiedział w konferencji prasowej: „Oznacza to, że około trzy z czterech słów zostało poprawnie zdekodowanych”.

„Dzięki tym nowym badaniom można teraz wyobrazić sobie przyszłość, w której będziemy mogli przywrócić płynność konwersacji sparaliżowanej osobie, umożliwiając jej swobodne i precyzyjne mówienie tego, co chce, z wystarczającą precyzją, aby można było ją wiarygodnie zrozumieć” – powiedział.

Naukowcy twierdzą, że dekodowanie odbywało się przy dużych prędkościach. Bennett mówił średnio 62 słowa na minutę, czyli ponad trzy razy szybciej niż poprzednie interfejsy mózg-komputer, które w przypadku modeli pisma ręcznego obsługiwały około 18 słów na minutę.

„Te wstępne wyniki potwierdzają tę koncepcję, a ostatecznie technologia nadrobi zaległości i uczyni ją bardziej dostępną dla osób, które nie potrafią swobodnie mówić” – napisał Bennett w swoim artykule. komunikat prasowy. „Dla tych, którzy nie mówią, oznacza to, że mogą pozostać w kontakcie z większym światem, być może kontynuować pracę oraz utrzymywać relacje przyjacielskie i rodzinne”.

Jednak na razie naukowcy napisali, że ich odkrycia stanowią „potwierdzenie koncepcji”, że dekodowanie ruchów mowy przy użyciu dużego słownictwa jest możliwe, ale należy je przetestować na większej liczbie osób, zanim będzie można rozważyć zastosowanie kliniczne.

„To bardzo wczesne badania” – powiedział Willett. „I nie mamy dużej bazy danych zawierających dane od innych osób”.

Drugie badanie, opublikowane w środę, dotyczyło Anne Johnson, która nie mogła wyraźnie mówić z powodu paraliżu po udarze w 2005 roku, gdy miała 30 lat. We wrześniu 2022 roku w jej mózgu w UCSF Medical Center w San Francisco wszczepiono urządzenie elektrodowe, bez żadnych powikłań chirurgicznych.

Implant rejestrował aktywność neuronową, która była dekodowana w postaci tekstu na ekranie. W badaniu naukowcy napisali, że odkryli „dokładne i szybkie dekodowanie dużych słowników” ze średnią szybkością 78 słów na minutę i średnim poziomem błędów w słowach wynoszącym 25 procent.

Osobno, gdy Johnson próbowała mówić cicho, jej aktywność neuronowa została zsyntetyzowana w dźwięki mowy. Badacze opracowali także animację awatara twarzy towarzyszącą mowie syntetycznej, opartą na próbach wykonywania ruchów twarzy przez pacjenta.

„Szybsza, dokładniejsza i bardziej naturalna komunikacja to jedna z najbardziej pożądanych potrzeb osób, które utraciły zdolność mówienia w wyniku poważnego paraliżu” – stwierdzili naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco i innych instytucji w USA i USA. Stany Zjednoczone. królestwa, jak napisano w ich studium. „Tutaj pokazujemy, że wszystkie te potrzeby można zaspokoić za pomocą systemu neuroprotezy mowy, który w czasie rzeczywistym dekoduje aktywność kory artykulacyjnej na wiele modalności wyjściowych”.

Doktor Edward Chang, neurochirurg i autor badania z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco, powiedział w wiadomościach, że wyniki obu nowych badań dotyczących implantów mózgowych „pokrywają się” pod względem wyników i „długoterminowego celu”, jakim jest przywrócenie połączenia osobom sparaliżowanym. ludzie. instrukcje.

„Wyniki obu badań — od 60 do 70 słów na minutę w każdym — są ogólnie rzecz biorąc prawdziwym kamieniem milowym w naszej dziedzinie i jesteśmy nimi naprawdę podekscytowani, ponieważ pochodzą od dwóch różnych pacjentów, dwóch różnych ośrodków, dwóch różnych podejść „, powiedział Zhang. Najważniejszym przesłaniem jest to, że istnieje nadzieja, że ​​sytuacja będzie się nadal poprawiać i zapewni rozwiązanie w nadchodzących latach”.

Chociaż urządzenia opisane w obu nowych artykułach są badane w celu sprawdzenia koncepcji i nie są obecnie dostępne na rynku, mogą utorować drogę przyszłej nauce i być może przyszłym urządzeniom komercyjnym.

„Jestem bardzo podekscytowany biznesem dotyczącym interfejsów mózg-komputer” – powiedział Henderson. „Zatoczyłem pełne koło od chęci nawiązania kontaktu z tatą, gdy byłem dzieckiem, do zobaczenia tej pracy. Nie da się tego opisać”.