Technologie “řečového neuroprotezu” obnovila řeč pacientovi s těžkou paralýzou

Ve vývoji umělé inteligence (AI) pro protetiku došlo k dalšímu významnému pokroku, když výzkumníci z University of California San Francisco úspěšně vyvinuli „řečový neuroprotez“, který částečně obnovil řeč muži s těžkou paralýzou. Nová technologie mu umožnila mluvit ve větách, když přeložila signály z jeho mozku do hlasového traktu. Slova se pak objevila jako text na obrazovce.

Práce zahrnovala prvního účastníka klinické studie a byla součástí širšího výzkumu, který probíhal již více než deset let pod vedením neurochirurga Edwarda Changa, MD, který se snaží vyvinout technologii, která umožní lidem s paralýzou komunikovat i když nemohou mluvit sami.

Studie byla publikována 15. července v New England Journal of Medicine.

První systém svého druhu

Chang je Joan a Sanford Weill Chair of Neurological Surgery na UCSF a Jeanne Robertson Distinguished Professor. Je také senior autorem studie.

„Naše znalosti naznačují, že se jedná o první úspěšnou demonstraci přímého dekódování celých slov z mozkové aktivity někoho, kdo je paralyzován a nemůže mluvit,” řekl Chang. “To ukazuje silnou perspektivu pro obnovení komunikace tím, že využije přirozené řečové mechanismy mozku.”

Práce v tomto oboru se tradičně zaměřuje na obnovení komunikace prostřednictvím založených na abecedě přístupů k psaní písmen jeden po druhém v textu. Nová studie se však zaměřuje na překlad signálů, které jsou skutečně určeny k ovládání svalů hlasového systému pro mluvení slov. To se liší od tradiční práce, která se zaměřuje na signály, které pohybují rukou nebo rukou.

Podle Changa nový přístup využívá přirozené a plynulé aspekty řeči a mohl by vést k mnohem větším pokrokům v této oblasti. Řekl také, že založené na abecedě přístupy, které spoléhají na psaní, přepisování a ovládání kurzoru, jsou mnohem pomalejší.

“S řečí normálně komunikujeme informace velmi vysokou rychlostí, až 150 nebo 200 slov za minutu,” řekl. “Přejít přímo k slovům, jak jsme to dělali zde, má velké výhody, protože je to blíže tomu, jak normálně mluvíme.”

Changova předchozí práce se spoléhala na pacienty v UCSF Epilepsy Center, kteří podstoupili neurochirurgii k detekci toho, co způsobovalo jejich záchvaty, a používali elektrodové pole, které byly umístěny na povrchu mozků pacientů. Pacienti měli normální řeč a výsledky vedly k současné klinické studii pro osoby s paralýzou.

Někteří z nových metod vyvinutých týmem zahrnovali způsob dekódování kortikálních aktivitních vzorců a statistického jazyka pro zlepšení přesnosti.

David Moses, PhD, je postdoktorální inženýr v Chang Lab a další z vedoucích autorů.

“Naše modely musely naučit mapování mezi složitými mozkovými aktivitními vzorci a úmyslnou řečí,” řekl Moses. “To představuje velkou výzvu, když účastník nemůže mluvit.”

První účastník

Prvním účastníkem studie byl muž ve svých pozdních 30. letech, který před více než 15 lety utrpěl mozkový infarkt, který způsobil těžké poškození spojení mezi jeho mozkem a hlasovým traktem a končetinami.

Vyvinutím 50-slovního slovníku, který mohl Changův tým použít pokročilé počítačové algoritmy k rozpoznání, účastník mohl vytvořit stovky vět vyjadřujících denní životní koncepty.

Musel mít implantován vysokohustotní elektrodový array nad svým řečním motorickým kortikem a po jeho zotavení bylo zaznamenáno více než 22 hodin neuronální aktivity v této mozkové oblasti během 48 sezení.

Sean Metzger, MS a Jessie Liu, BS, jsou oba bioinženýrští doktorandi v Chang Lab a byli odpovědní za vývoj vlastních neuronových sítí, které mohly přeložit vzorce zaznamenané neuronální aktivity do konkrétních úmyslných slov.

Po testu tým zjistil, že systém mohl dekódovat slova z mozkové aktivity rychlostí až 18 slov za minutu a byl 93 procentně přesný. Tým aplikoval „auto-korekci“ na jazykový model, což помогlo zlepšit přesnost.

“Byli jsme nadšeni, když jsme viděli přesné dekódování různých významných vět,” řekl Moses. “Prokázali jsme, že je skutečně možné usnadnit komunikaci tímto způsobem a že to má potenciál pro použití v konverzačních prostředích.”

Tým nyní rozšíří studii, aby zahrnovala více účastníků s těžkou paralýzou a komunikačními problémy. Pracují také na rozšíření počtu slov ve slovníku a zlepšení rychlosti řeči.

“Toto je důležitý technologický milník pro osobu, která nemůže komunikovat přirozeně,” řekl Moses, “a demonstruje potenciál tohoto přístupu pro poskytnutí hlasu lidem s těžkou paralýzou a ztrátou řeči.”