Речевой протез, разработанный совместной группой нейробиологов, нейрохирургов и инженеров Университета Дьюка, может переводить сигналы мозга человека в то, что он пытается сказать.
Новая технология, описание которой опубликовано в журнале Nature Communications, может помочь людям, неспособным говорить из-за неврологических расстройств, вновь обрести способность общаться с помощью интерфейса «мозг-компьютер».
«Существует множество пациентов, страдающих от изнурительных двигательных расстройств, таких как боковой амиотрофический склероз или синдром блокировки, которые могут нарушать их способность говорить, — сказал Грегори Коган, доктор философии, профессор неврологии в Медицинской школе Университета Дьюка и один из ведущих исследователей, участвовавших в проекте. — Но нынешние средства, позволяющие им общаться, как правило, очень медленные и громоздкие».
Их работу можно сравнить с прослушиванием аудиокниги на половинной скорости. В настоящее время наилучшая скорость декодирования речи составляет около 78 слов в минуту. Люди же произносят около 150 слов в минуту.
Отставание между скоростью произнесения и декодирования речи отчасти объясняется тем, что на тонком верхнем слое мозга можно закрепить сравнительно небольшое количество датчиков мозговой активности. Меньшее количество датчиков даёт меньше информации для декодирования.
Для того чтобы преодолеть прежние ограничения, Коган объединил усилия с сотрудником Института наук о мозге Дьюка Джонатаном Вивенти, доктором наук, чья лаборатория биомедицинской инженерии специализируется на создании высокоплотных, ультратонких и гибких датчиков мозга.
В рамках этого проекта Вивенти и его команда разместили 256 микроскопических датчиков мозга на куске гибкого медицинского пластика размером с почтовую марку. Нейроны, находящиеся на расстоянии всего одной песчинки друг от друга, могут проявлять совершенно разную активность при координировании речи, поэтому для точного прогнозирования предполагаемой речи необходимо различать сигналы от соседних клеток мозга.
После изготовления нового имплантата Коган и Вивенти объединились с несколькими нейрохирургами Университетской больницы Дьюка, которые помогли набрать четырёх пациентов для тестирования имплантатов. В ходе эксперимента исследователям пришлось временно поместить устройство в мозг пациентов, которым проводилась операция на головном мозге по другому поводу, например, для лечения болезни Паркинсона или удаления опухоли. Коган и его команда были ограничены во времени, чтобы испытать своё устройство в операционной.
Участники слышали ряд бессмысленных звукосочетаний, а затем произносили каждое из них вслух. Прибор регистрировал активность речедвигательной коры головного мозга каждого пациента, координируя работу почти 100 мышц, двигающих губами, языком, челюстью и гортанью.
После этого Сусеендракумар Дурайвел (Suseendrakumar Duraivel), первый автор нового доклада и аспирант факультета биомедицинской инженерии Университета Дьюка, получил нейронные и речевые данные из операционной и ввёл их в алгоритм машинного обучения, чтобы проверить, насколько точно он может предсказать, какой звук был произнесён, основываясь только на записях активности мозга.
Для некоторых звуков и участников, например, /g/ в слове "gak", дешифратор в 84% случаев правильно определял первый звук в строке из трёх, составляющих данное бессмысленное слово.
Однако при выделении звуков в середине или в конце бессмысленного слова точность снижалась. Также затруднения возникали, если два звука были похожи, например, /p/ и /b/.
В целом дешифратор был точен в 40% случаев. Это может показаться скромным результатом теста, но он весьма впечатляющ, если учесть, что для подобных технических упражнений по преобразованию речи в мозг требуется несколько часов или дней работы с данными. Однако алгоритм декодирования речи, который использовал Дурайвел, работал всего с 90 секундами речевых данных, полученных в ходе 15-минутного теста.
Дурайвел и его наставники с нетерпением ждут возможности создания беспроводной версии устройства благодаря недавно полученному гранту в размере $2,4 млн от Национального института здравоохранения.
«Сейчас мы разрабатываем такие же записывающие устройства, но без проводов, — сказал Коган. — Вы сможете передвигаться, и вам не придётся привязываться к электрической розетке». Хотя их работа вселяет оптимизм, до появления речевого протеза Вивенти и Когана на прилавках магазинов ещё далеко.
«Мы находимся на том этапе, когда скорость речи всё ещё намного ниже, чем у естественной речи, — сказал Вивенти в недавней статье о технологии, опубликованной в журнале Duke Magazine, — но план её разработки уже понятен».
