Implantát používa signály mozgu, aby dekódoval, čo sa ľudia snažia povedať

Strata schopnosti komunikovať môže byť vedľajším účinkom oslabujúcich neurodegeneratívnych ochorení, ako je amyotrofická laterálna skleróza (ALS), pri ktorej sú kognitívne funkcie zachované, ale svaly, ktoré ovládajú reč, sú ochabnuté. Jedným z riešení na obnovenie komunikácie je dekódovanie signálov priamo z mozgovej kôry, ktorá spúšťa pohyby svalov v špecifickom poradí, aby produkovali rôzne zvuky.

Vedci z Dukeovej univerzity v USA vyvinuli mozgový implantát, ktorý využíva neurálne nahrávky s vysokým rozlíšením na dekódovanie mozgových signálov človeka a ich preklad do toho, čo sa snaží povedať.

„Existuje veľa pacientov, ktorí trpia oslabujúcimi motorickými poruchami, ako je ALS (amyotrofická laterálna skleróza) alebo syndróm uzamknutia, ktoré môžu zhoršiť ich schopnosť hovoriť,“ povedal Gregory Cogan, jeden z autorov štúdie. „Ale súčasné dostupné nástroje, ktoré im umožňujú komunikovať, sú vo všeobecnosti veľmi pomalé a ťažkopádne“.

V súčasnosti je najlepšia rýchlosť dekódovania reči približne 78 slov za minútu, pričom hovoríme rýchlosťou približne 150 slov za minútu. Oneskorenie možno vo všeobecnosti pripísať počtu použitých senzorov mozgovej aktivity. Menej senzorov znamená menej dešifrovateľných informácií na dekódovanie.

Na zlepšenie existujúcich zariadení výskumníci zabalili 256 mikroskopických mozgových senzorov do kusu flexibilného lekárskeho plastu veľkosti poštovej známky. To znamenalo, že zariadenie bolo schopné získať kvalitnejšie nervové signály s väčším priestorovým rozlíšením. Napriek svojej blízkosti môžu mať neuróny, ktoré sú od seba vzdialené len mikrón, veľmi odlišné vzorce aktivity pri koordinácii reči. Presné predpovede o tom, čo niekto zamýšľa povedať, si vyžaduje rozlišovanie signálov zo susedných mozgových buniek.

Potom bolo potrebné implantát otestovať. Výskumníci prijali štyroch pacientov, ktorí už podstúpili operáciu mozgu na liečbu Parkinsonovej choroby alebo na odstránenie nádoru, a nakrátko prerušili operáciu, aby na nich použili implantát.

„Rád to porovnám s posádkou v boxoch pretekov NASCAR,“ povedal Cogan. „Nechceme pridávať žiadny čas navyše k operačnému postupu, takže sme museli byť dnu a von do 15 minút. Hneď ako chirurg a lekársky tím povedali „Choď!“, ponáhľali sme sa do akcie a pacient úlohu vykonal“.

Úloha bola jednoduchá. Účastníci počuli sériu nezmyselných slov ako napríklad „ava“, „kug“ alebo „vip“ a každé z nich nahlas prehovorili. Implantát zaznamenal aktivitu v motorickej kôre pacienta, pretože koordinoval takmer 100 svalov, ktoré pohybujú perami, jazykom, čeľusťou a hlasivkou (hrtan). Údaje sa potom vložili do algoritmu strojového učenia, aby sa zistilo, ako presne dokáže predpovedať vydávaný zvuk, a to iba na základe záznamov mozgovej aktivity.

Pri niektorých zvukoch a účastníkoch, ako napríklad „g“ v slove „gak“, mal dekodér pravdu v 84 % prípadov, keď to bol prvý zvuk v reťazci troch, ktorý tvoril konkrétne nezmyselné slovo. Presnosť klesla, keď dekodér analyzoval zvuky v strede alebo na konci slova a snažil sa, či sú dva zvuky podobné, napríklad „p“ a „b“.

Celkovo bol dekodér presný v 40 % prípadov. Hoci to neznie obzvlášť pôsobivo, výskumníci poznamenávajú, že algoritmus používal iba 90 sekúnd hovorených údajov získaných počas 15-minútového testu. Výskumníci však budú pokračovať v zlepšovaní presnosti a rýchlosti dekódovania zariadenia. Využijú aj grant od Národného inštitútu zdravia na prácu na bezdrôtovej verzii.

„Teraz vyvíjame rovnaký druh záznamových zariadení, ale bez akýchkoľvek káblov,“ povedal Cogan. „Mohli by ste sa pohybovať a nemuseli by ste byť pripútaní k elektrickej zásuvke, čo je naozaj vzrušujúce“.

Štúdia bola nedávno publikovaná v magazíne Nature Communications.