Ένα εμφύτευμα που αναπτύχθηκε από μια ομάδα νευροεπιστημόνων, νευροχειρουργών και μηχανικών του Πανεπιστημίου Duke μπορεί να μεταφράσει τα εγκεφαλικά σήματα ενός ατόμου σε αυτό που προσπαθούν να πουν.
Η νέα τεχνολογία, σύμφωνα με τη σχετική μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Nature Communications, θα μπορούσε κάποια μέρα να βοηθήσει τους ανθρώπους που δεν μπορούν να μιλήσουν λόγω νευρολογικών διαταραχών να αποκτήσουν ξανά την ικανότητα επικοινωνίας μέσω μιας διεπαφής εγκεφάλου-υπολογιστή.
«Υπάρχουν πολλοί ασθενείς που υποφέρουν από εξουθενωτικές κινητικές διαταραχές, όπως η αμυοτροφική πλευρική σκλήρυνση ή το σύνδρομο lock-in, που μπορεί να βλάψουν την ικανότητα ομιλίας τους. Αλλά τα τρέχοντα διαθέσιμα εργαλεία που τους επιτρέπουν να επικοινωνούν είναι γενικά πολύ αργά και δυσκίνητα», δήλωσε ο Gregory Cogan, καθηγητής νευρολογίας στο Πανεπιστήμιο Duke.
Οι επιστήμονες προσπάθησαν να βελτιώσουν τον ρυθμό αποκωδικοποίησης ομιλίας
Φανταστείτε να ακούτε ένα ηχητικό βιβλίο στη μισή ταχύτητα. Αυτός είναι ο καλύτερος διαθέσιμος ρυθμός αποκωδικοποίησης ομιλίας, ο οποίος είναι περίπου 78 λέξεις ανά λεπτό. Οι άνθρωποι, ωστόσο, μιλούν με περίπου 150 λέξεις το λεπτό.
Η υστέρηση μεταξύ προφορικών και αποκωδικοποιημένων ρυθμών ομιλίας οφείλεται εν μέρει στους σχετικά λίγους αισθητήρες εγκεφαλικής δραστηριότητας που μπορούν να συγχωνευθούν σε ένα λεπτό κομμάτι υλικού που βρίσκεται στην επιφάνεια του εγκεφάλου. Λιγότεροι αισθητήρες παρέχουν λιγότερες πληροφορίες που μπορούν να αποκρυπτογραφηθούν για αποκωδικοποίηση.
Για να βελτιώσει τους περιορισμούς του παρελθόντος, ο Δρ. Cogan συνεργάστηκε με τον συνάδελφό του στο Duke Institute for Brain Sciences, Jonathan Viventi, του οποίου το εργαστήριο βιοϊατρικής μηχανικής ειδικεύεται στην κατασκευή υψηλής πυκνότητας, εξαιρετικά λεπτών και ευέλικτων αισθητήρων εγκεφάλου.
Για αυτή την εργασία, ο Δρ. Viventi και η ομάδα του συσκεύασαν 256 εντυπωσιακά μικροσκοπικούς αισθητήρες εγκεφάλου σε ένα κομμάτι εύκαμπτου πλαστικού ιατρικής ποιότητας, μεγέθους γραμματοσήμου.
Οι νευρώνες που απέχουν μόνο ένα κόκκο άμμου μεταξύ τους μπορεί να έχουν πολύ διαφορετικά μοτίβα δραστηριότητας όταν συντονίζουν την ομιλία, επομένως είναι απαραίτητο να διακρίνουμε τα σήματα από τα γειτονικά εγκεφαλικά κύτταρα για να βοηθήσουμε σε ακριβείς προβλέψεις σχετικά με την προβλεπόμενη ομιλία.
Μετά την κατασκευή του νέου εμφυτεύματος, οι Cogan και Viventi συνεργάστηκαν με αρκετούς νευροχειρουργούς του Πανεπιστημιακού Νοσοκομείου Duke, για την στρατολόγηση τεσσάρων ασθενών για τον έλεγχο των εμφυτευμάτων.
Η δοκιμή των επιστημόνων
Το πείραμα απαιτούσε από τους ερευνητές να τοποθετήσουν τη συσκευή προσωρινά σε ασθενείς που υποβάλλονταν σε χειρουργική επέμβαση στον εγκέφαλο για κάποια άλλη πάθηση, όπως η θεραπεία της νόσου Πάρκινσον ή η αφαίρεση όγκου. Ο χρόνος ήταν περιορισμένος για τον Δρ. Cogan και την ομάδα του να δοκιμάσουν τη συσκευή τους στο χειρουργείο .
«Δεν θέλαμε να προσθέσουμε επιπλέον χρόνο στη χειρουργική διαδικασία, οπότε έπρεπε να κάνουμε ό,τι ήταν να κάνουμε μέσα σε 15 λεπτά», ανέφεραν οι επιστήμονες.
Η εργασία ήταν μια απλή δραστηριότητα ακρόασης και επανάληψης. Οι συμμετέχοντες άκουσαν μια σειρά από απλές, το πολύ δισύλλαβες λέξεις και μετά είπαν την καθεμία δυνατά. Η συσκευή κατέγραψε δραστηριότητα από τον κινητικό φλοιό της ομιλίας κάθε ασθενούς καθώς συντόνιζε σχεδόν 100 μύες που κινούν τα χείλη, τη γλώσσα, τη γνάθο και τον λάρυγγα.
Στη συνέχεια, ο Suseendrakumar Duraivel, πρώτος συγγραφέας της νέας έκθεσης και μεταπτυχιακός φοιτητής βιοϊατρικής μηχανικής στο Duke, πήρε τα νευρωνικά δεδομένα και τα δεδομένα ομιλίας από το χειρουργείο και τα τροφοδότησε σε έναν αλγόριθμο μηχανικής μάθησης για να δει με πόση ακρίβεια μπορούσε να προβλέψει τον ήχο, με βάση μόνο τις καταγραφές εγκεφαλικής δραστηριότητας.
Συνολικά, ο αποκωδικοποιητής ήταν ακριβής στο 40% των περιπτώσεων. Αυτό μπορεί να φαίνεται σαν μια ισχνή βαθμολογία, αλλά ήταν αρκετά εντυπωσιακό δεδομένου ότι παρόμοια τεχνικά επιτεύγματα εγκεφάλου σε ομιλία απαιτούν δεδομένα ωρών ή ημερών για να αντληθούν από αυτά. Ο αλγόριθμος αποκωδικοποίησης ομιλίας που χρησιμοποιούσε ο Duraivel, ωστόσο, λειτουργούσε με μόνο 90 δευτερόλεπτα προφορικών δεδομένων από το τεστ διάρκειας 15 λεπτών.
Ο Duraivel και οι μέντοράς του φτιάχνουν τώρα μια ασύρματη έκδοση της συσκευής. «Τώρα αναπτύσσουμε το ίδιο είδος συσκευών εγγραφής, αλλά χωρίς καλώδια. Οι ασθενείς θα μπορούν να μετακινηθούν και δεν θα χρειαστεί να εξαρτώνται από μια πρίζα, κάτι που είναι πραγματικά συναρπαστικό», είπε ο Cogan.
Πάντως, ενώ το έργο τους είναι ενθαρρυντικό, υπάρχει ακόμη πολύς δρόμος για να γίνει διαθέσιμο το εμφύτευμα ομιλίας των Viventi και Cogan σύντομα. «Είμαστε στο σημείο όπου είναι ακόμα πολύ πιο αργή από τη φυσική ομιλία», είπε ο Viventi σε ένα πρόσφατο άρθρο του σχετικά με την τεχνολογία, «αλλά μπορείτε να δείτε την τροχιά που μπορεί να μας φτάσει ως εκεί».