NatComm: Специальный мозговой имплант озвучит мысли неспособных разговаривать

Речевой протез размером не больше почтовой марки, разработанный совместной группой нейробиологов, нейрохирургов и инженеров Университета Дьюка, может переводить сигналы мозга человека в то, что он пытается сказать.

Новая технология, описанная 6 ноября 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 ALS (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 существующие средства, позволяющие им общаться, как правило, очень медленные и громоздкие.

Представьте себе прослушивание 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 тонкую бумагу, которая располагается на поверхности мозга, можно наклеить сравнительно небольшое количество датчиков мозговой активности. Меньшее количество датчиков дает меньше информации для декодирования.

Для того чтобы преодолеть существующие ограничения, Коган объединился с сотрудником Института наук о мозге Дьюка Джонатаном Вивенти, доктором философии, чья лаборатория биомедицинской инженерии специализируется на создании сверхтонких и гибких датчиков мозга высокой плотности.

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, включая Дерека Саутвелла, доктора медицины, доктора философии, Нандана Лада, доктора медицины, доктора философии, и Аллана Фридмана, доктора медицины, которые помогли набрать четырех 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 свое устройство в операционной.

Мне нравится сравнивать это с пит-командой NASCAR, — говорит Коган.

Мы не хотим добавлять дополнительное время к операционной процедуре, поэтому мы должны были войти и выйти в течение 15 минут. Как только хирург и медицинская бригада сказали «Поехали!», мы бросились в бой, и пациент выполнил задание.

Задание представляло собой простую процедуру «слушай и повторяй». Участники слышали ряд бессмысленных слов, таких как „ава“, „куг“ или „вип“, 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 ввел их в алгоритм машинного обучения, чтобы проверить, насколько точно он может предсказать, какой звук был произнесен, 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 трех, 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, но он весьма впечатляет, 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, получив недавно грант в размере 2,4 млн. долл. от Национального института здоровья.

Сейчас мы разрабатываем такие же записывающие устройства, но без проводов, — сказал Коган.

Вы сможете передвигаться, и вам не придется привязываться к электрической розетке, что очень интересно.

Хотя их работа вселяет оптимизм, до появления речевого протеза Вивенти и Когана на прилавках магазинов еще далеко.

Мы находимся на том этапе, когда скорость речи все еще намного ниже, чем у естественной речи, — сказал Вивенти в недавней статье о технологии, опубликованной в журнале Duke Magazine, — но вы можете увидеть траекторию, по которой вы сможете к ней прийти.

06.11.2023


Подписаться в Telegram



Хайтек

Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм

Магнитные материалы традиционно классифицируют...

Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу
Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу

Сильно взаимодействующие системы играют важную...

В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом

С помощью большой языковой модели инженеры Мас...

Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах

Исследовательская группа, работающая в UN...

Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий

Когда речь заходит о сверхпроводящих куби...

Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов
Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов

Исследователи из Калифорнийского универси...

PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути
PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути

Исследователи из Принстона применили спле...

Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ
Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ

Ученые из Томского политехнического униве...

Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света
Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света

В основе глобальной интернет-связи лежит оптич...

Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения
Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения

Мемристорные устройства представляют собой кат...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Biology Methods and Protocols: В борьбу с раком бросают искусственный интеллект
Biology Methods and Protocols: В борьбу с раком бросают искусственный интеллект
JCI: Тяжелая форма COVID-19, возможно, связана с аутоантителами
JCI: Тяжелая форма COVID-19, возможно, связана с аутоантителами
Разгадана тайна снижения производительности перспективного катодного материала
Разгадана тайна снижения производительности перспективного катодного материала
Каждый четвертый родитель говорит, что ребенок не может уснуть из-за тревоги
Каждый четвертый родитель говорит, что ребенок не может уснуть из-за тревоги
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: В мигрирующих нейронах найден конус роста
Nature Communications: В мигрирующих нейронах найден конус роста
Current Biology: Исследование брачного поведения показывает эволюцию влечения
Current Biology: Исследование брачного поведения показывает эволюцию влечения
BioDesign Research: Для производства каротиноидов разработали специальные дрожжи
BioDesign Research: Для производства каротиноидов разработали специальные дрожжи
Scientific Reports: Реакция на происходящее влияет на понимание будущих событий
Scientific Reports: Реакция на происходящее влияет на понимание будущих событий
Богатый белком рацион меняет микробиом кишечника и общее состояние организма
Богатый белком рацион меняет микробиом кишечника и общее состояние организма
IEEE: Экзоскелет поможет перенесшим инсульт вернуться к нормальной жизни
IEEE: Экзоскелет поможет перенесшим инсульт вернуться к нормальной жизни

Новости компаний, релизы

Биохимики СПбГУ выяснили, что гипоксия плода в сочетании со стрессом матери может приводить к никотиновой зависимости
Новая "Кантиана" поможет студентам быстрее адаптироваться к калининградскому климату
Российские ученые предложили тушить пожары с помощью газогидратного огнетушителя
Минералоги СПбГУ нашли на острове Диско возможный источник фосфора для возникновения первых живых организмов
Российские ученые выяснили, что за пять лет число случаев нетрудоспособности из-за онкологии выросло в стране почти на 70%