Человек, потерявший речь, может формулировать предложения благодаря новому нейроинтерфейсу — и делать это в несколько раз быстрее, чем позволяют другие современные устройства.
Человек, утративший способность говорить после перенесенного инсульта, может формулировать мысли с помощью системы, считывающей электрические сигналы с речевых зон мозга. Об этом сообщила исследовательская команда под руководством нейрохирурга Эдварда Чанга из Калифорнийского университета в Сан-Франциско. Этот метод ранее уже был протестирован на добровольцах, у которых не было нарушений речи. Теперь же ученым удалось продемонстрировать, что новый интерфейс работает и в случае с полностью парализованными людьми.
Более десяти лет назад у испытуемого случился инсульт, в результате которого у него развилась анартрия — неспособность контролировать мышцы, отвечающие за речь, и, как следствие, потеря речи. Поскольку конечности пациента также парализованы, он общается с людьми, выбирая буквы на экране с помощью движений головы. Таким образом он может сформулировать около пяти слов в минуту. Чтобы сделать общение более естественным и быстрым, доктор Чанг протестировал методику, использующую так называемый алгоритм глубокого обучения. Этот алгоритм декодирует паттерны активности мозга в сенсомоторной области коры, которая тесно связана с нашей речью. Ранее этот подход был опробован на добровольцах, которым по разным причинам в мозг были имплантированы электроды.
В новом исследовании команда Чанга временно удалила участнику часть черепа и поместила над сенсомоторной областью коры головного мозга тонкую пластину с электродами размером меньше кредитной карты. Чтобы обучить компьютерный алгоритм соотносить паттерны мозговой активности с говорением и конкретными словами, команде нужно было точно определять, что человек хочет сказать и в какой момент.
Для этого исследователи сформировали список из 50 слов, несколько раз подряд показывали мужчине на экране одно из них и просили его попытаться произнести это слово по сигналу. Когда алгоритм натренировался на получение данных, задачу усложнили: пациента просили попытаться прочесть предложения, составленные из тех же из 50 слов. Это были простые фразы, такие как "принесите мне, пожалуйста, мои очки". Чтобы усовершенствовать работу алгоритма, исследователи добавили к нему компонент, который называют моделью естественного языка. Эта модель использует распространенные последовательности слов и позволяет с высокой точностью предсказывать следующее слово в предложении. Работающая по такому принципу система ошибается только в 25%, сообщают ученые в журнале “New England Journal of Medicine”.
Работа мозга со временем реорганизуется, поэтому ученые не были уверены, что области, отвечающие за речь, после более чем десяти лет анартрии будут по-прежнему давать понятные сигналы, говорит Анна-Лиза Жиро, нейробиолог из Женевского университета. То, что эти сигналы сохранились, по-настоящему удивительно, считает она.
По словам доктора Чанга, благодаря новой методике мужчина смог составлять предложения со скоростью до 18 слов в минуту. Это сопоставимо со скоростью, достигнутой с помощью другого нейрокомпьютерного интерфейса, описанного в журнале “Nature” в мае этого года. Та система декодировала отдельные буквы на основе активности в области мозга, отвечающей за планирование движений рук. Парализованному человеку для этого нужно было представлять себе написание слов, которые он хотел сказать.
Чанг отмечает, что разработанная его командой система, к сожалению, пока не подходит для повседневного использования. Но в будущем ученые планируют расширить ее “словарный запас” и сделать ее беспроводной, чтобы пользователь не был привязан к компьютеру.