Электроды вголове помогли извлечь слова из мыслей пациента
Вопреки победным заголовкам в прессе перед нами ещё не совокупность мысленной речи, но однако хорошее к ней приближение. Пара расшифрованных слов, сказанных человеком про себя, дают надежду на общение для парализованных. Для для того чтобы прорыва во внешний мир они, возможно, согласятся на что угодно, среди них и на вскрытие черепной коробки.
Учёные из университетов Юты (U of U) и Вашингтона (UW) грезят уничтожить стенке, окружающую больного с «синдром закрытого человека» (locked-in syndrome). Благодаря последовательности повреждений нейронных дорог таковой больной неимеетвозможности сказать и двигаться, не смотря на то, что всецело всё осознаёт и может моргать.
Обычно лишь перемещение глаз и разрешает несчастным давать на вопросы самые простые ответы — да либо нет. В новой работе исследователи расширили данный примитивный словарь до 10 слов. В дополнение к вышеуказанным это «горячо», «холодно», «голод», «жажда», «здравствуйте», «до свидания», «больше» и «меньше».
В качестве подопытного американцы применяли добровольца, которому уже была сделана временная краниотомия. Данный больной страдает серьёзной формой эпилепсии. Размещая электроды на коре головного мозга, медики рассчитывают в один раз установить точки, вызывающие припадки.
Последующая операция , быть может, примет решение проблему.
Ну а до тех пор пока череп оставался вскрытым, экспериментаторы воспользовались случаем, дабы изучить другие участки. Эксперты сделали вывод, что запись картины активности нейронов поведает им — где в мозге рождаются конкретные слова.
Тут возможно заметить два типа электродов на поверхности мозга больного. Большие – это те, что медики используют для обнаружения источника эпилептических припадков.
А вот зелёный и оранжевый провода заканчиваются экспериментальными массивами по 16 микроэлектродов. Последние выделены белыми точками, потому, что на исходном кадре не хорошо заметны (фото University of Utah Department of Neurosurgery).
Ранее уже было продемонстрировано, что при помощи электроэнцефалограммы, снимаемой «мозговой шапкой», возможно удачно управляться с настольной игрой, соединять мозг с мозгом, играться в оркестре и руководить андроидом. Но в тех случаях устройства размешались снаружи человека. Физическое проникновение под черепную коробку способно дать исследователям больше информации.
Принципиально важно, что для собственного опыта учёные применяли ранее созданный в университете Юты бережный массив микроэлектродов (microECoG) для электрокортикографии (они и продемонстрированы на снимке выше). Эти устройства не попадают в мозг, а лежат на его поверхности и ощущают потенциал поля, формируемого нейронами.
А ещё новые электроды значительно меньше употреблявшихся ранее и отстоят друг от друга на расстоянии всего в один миллиметр, что разрешает регистрировать сигналы с более высокой избирательностью.
Исследователи поместили два массива по 16 таких микроэлектродов (квадратики 4 х 4) в две территории мозга. Первая — лицевая моторная кора, управляющая перемещениями рта, губ, языка, в общем – мышц, участвующих в речи. Вторая — территория Вернике, которая связана с распознаванием и восприятием слов (она действующий при произнесении их самим человеком).
В течение четырёх дней подряд с больным проводили по часу занятий. Больной произносил по указке учёных одно из десяти слов, каждое от 31 до 96 раз. Изучив комплект импульсов, авторы опыта установили для каждого слова самый репрезентативный рисунок активных электродов.
А дабы проверить предположения, американцы совершили пара тестов на угадывание слов.
На данный томографический снимок учёные наложили места крепления всех электродов. Жёлтые – ветхие, нужные для поиска источника приступов, красные – два комплекта microECoG, находящиеся в речевых территориях (фото Kai Miller/University of Washington).
Считывание с массива из моторной коры в соответствии с ранее опознанными комплектами «личных» для каждого слова электродов разрешило правильно определять эти самые слова в 85% случаев. Работа лишь с территорией Вернике дала только 76% точности.
Любопытно, что комбинация сигналов из двух областей на уровень качества определения не повлияла. Значит, территория Вернике тут мало что даёт. Кстати, в то время, когда испытуемый произносил слова, его моторная кора была значительно активнее, чем территория Вернике, а в то время, когда слушал — последняя быстро подключалась.
Данный принцип — «подсмотреть, запомнить, сравнить» — употреблялся и ранее для таких опытов, как извлечение из голов испытуемых фотографий и чисел, замеченных текстов, услышанных слов, стиля художника и пространственного положения.
И не столь принципиально важно, какую как раз разработку считывания используют новаторы — магнитно-резонансную томографию либо съёмку электрокортикограммы. Основное – выявить активность тех либо иных групп нейронов в различных отделах коры с желаемой точностью.
Потому потом отечественные храбрецы вычислили в каждом из двух массивов microECoG по пять контактов, перемены в сигналах которых были самые яркими при смене слов. Опираясь лишь на них, учёным удалось довести точность регистрации заблаговременно выбранного слова до 90%. (Подробности опыта раскрывают пресс-релиз университета статья и юты в Journal of Neural Engineering.)
Для реализации идеи мысленной речи нужно записывать импульсы от всех электродов сходу и выявлять характерные картинки активности нейронов среди образцов, наложенных один на другой. Попытавшись это, изобретатели разработки взяли точность 28% для регистрации со всех электродов «оптом» и 48% для регистрации сигналов лишь от «лучших» пяти электродов microECoG.
Эти числа очевидно выше десяти процентов попаданий, каковые следуют из теории возможности, если бы распознавание слов было чисто случайным. Но этого уровня, само собой разумеется, ещё мало для организации полноценного считывания речи.
В прошедшем сезоне Грегер и его коллеги из университета Юты, в частности доктор наук нейрохирургии Пол Хаус (Paul House), продемонстрированный тут в операционной, совершили успешный опыт по считыванию при помощи мозговых микроэлектродов моторных сигналов, управляющих рукой больного. Хаус участвовал и в этом опыте (фото Kelly Johnson).
Брэдли Грегер (Bradley Greger) из университета Юты, эксперт по биоинженерии и один из авторов нынешнего опыта, говорит: «Мы взяли подтверждение концепции — сигналы из мозга возможно с некой долей возможности перевести в слова. Но мы должны обрабатывать больше слов с большей точностью, перед тем как это будет полезно для больного».
Изобретение microECoG именно разрешает сохранять надежду на таковой прорыв. Электроды, которыми пользовались врачи и исследователи в прошлых работах, были неудобны для опытов с мысленной речью. Они захватывали сходу через чур много нейронов, дабы из их показаний извлечь столь узкие различия, сопровождающие формирование речи.
Соответственно, дальше необходимо идти по пути наращивания детализации.
Кстати, вторая научная несколько в прошедшем сезоне, применяя похожий способ, сумела вычленить из головы парализованного гласные звуки. На этом фоне 10 слов смогут показаться настоящей революцией, но сами «революционеры» принимают собственный успех сдержанно.
«Это не свидетельствует, что неприятность всецело решена и мы можем пойти к себе, — продолжает Грегер. — Убедившись в работоспособности разработки, сейчас нам нужно оптимизировать её так, дабы больные с синдромом закрытого человека имели возможность по-настоящему общаться».
Со слов Брэдли, следующий ход группы — построение массива microECoG со 121 электродом (11 х 11). Они окажут помощь взять огромное количество информации, что, возможно, будет означать больше распознаваемых слов.
Со временем эта техника может воплотиться в беспроводный чип-имплантат (наподобие этого прототипа), что по радиоканалу передаёт на компьютер сигналы активности нейронов, дабы PC воспроизводил сообщённое в мыслях. Первая такая серийная совокупность станет вправду революционной.
