رابط جدید مغز و کامپیوتر به افراد مبتلا به ALS اجازه می دهد دوباره صحبت کنند

یک رابط جدید مغز و کامپیوتر (BCI) که در UC Davis Health ساخته شده است، سیگنال های مغز را با دقت 97 درصد به گفتار تبدیل می کند – دقیق ترین سیستم در نوع خود.

محققان حسگرهایی را در مغز مردی با اختلال گفتار شدید به دلیل اسکلروز جانبی آمیوتروفیک (ALS) کاشتند. این مرد توانست در عرض چند دقیقه پس از فعال شدن سیستم، صحبت مورد نظر خود را به اشتراک بگذارد.

مطالعه ای درباره این کار امروز در مجله پزشکی نیوانگلند منتشر شد.

ALS که به عنوان بیماری لو گریگ نیز شناخته می شود، بر سلول های عصبی که حرکت در سراسر بدن را کنترل می کنند، تأثیر می گذارد. این بیماری منجر به از دست دادن تدریجی توانایی ایستادن، راه رفتن و استفاده از دست می شود. همچنین می‌تواند باعث شود فرد کنترل ماهیچه‌های مورد استفاده برای صحبت کردن را از دست بدهد و منجر به از دست دادن گفتار قابل درک شود.

این فناوری جدید برای بازگرداندن ارتباطات برای افرادی که به دلیل فلج یا شرایط عصبی مانند ALS نمی توانند صحبت کنند، توسعه یافته است. هنگامی که کاربر سعی می کند صحبت کند، می تواند سیگنال های مغز را تفسیر کند و آنها را به متنی تبدیل کند که توسط رایانه با صدای بلند “گفته” می شود.

دیوید برندمن، جراح مغز و اعصاب دانشگاه کالیفرنیا دیویس گفت: «فناوری BCI ما به یک مرد فلج کمک کرد تا با دوستان، خانواده و مراقبان ارتباط برقرار کند. مقاله ما دقیق ترین پروتز عصبی گفتاری (دستگاه) گزارش شده را نشان می دهد.

برندمن محقق اصلی و نویسنده ارشد این مطالعه است. او استادیار دپارتمان جراحی مغز و اعصاب دانشگاه کالیفرنیا دیویس و یکی از مدیران آزمایشگاه پروتزهای عصبی دانشگاه کالیفرنیا دیویس است.

BCI جدید سد ارتباطی را می شکند

وقتی کسی سعی می کند صحبت کند، دستگاه جدید BCI فعالیت مغز او را به متن روی صفحه کامپیوتر تبدیل می کند. سپس کامپیوتر می تواند متن را با صدای بلند بخواند.

برای توسعه این سیستم، تیم، کیسی هارل، مرد 45 ساله مبتلا به ALS را در کارآزمایی بالینی BrainGate ثبت نام کرد. در زمان ثبت نام، هارل در بازوها و پاهایش ضعف داشت (تتراپارزی). درک گفتار او بسیار سخت بود (دیسرتری) و نیاز داشت که دیگران برای او کمک کنند.

در ژوئیه 2023، برندمن دستگاه تحقیقاتی BCI را کاشت. او چهار آرایه میکروالکترودی را در شکنج پیش مرکزی چپ، ناحیه ای از مغز که مسئول هماهنگی گفتار است، قرار داد. آرایه ها برای ثبت فعالیت مغز از 256 الکترود قشر مغز طراحی شده اند.

سرگئی استاویسکی، عصب شناس توضیح داد: «ما واقعاً تلاش آن ها برای حرکت دادن عضلات و صحبت کردنشان را شناسایی می کنیم. استاویسکی استادیار گروه جراحی مغز و اعصاب است. او یکی از مدیران آزمایشگاه پروتز عصبی UC دیویس و محقق اصلی این مطالعه است. ما در حال ضبط از بخشی از مغز هستیم که سعی می‌کند این دستورات را به ماهیچه‌ها بفرستد. و اساساً به آن گوش می‌دهیم، و آن الگوهای فعالیت مغز را به یک واج ترجمه می‌کنیم – مانند یک هجا یا واحد سخنرانی — و سپس کلماتی که می خواهند بگویند.”

آموزش سریعتر، نتایج بهتر

علیرغم پیشرفت‌های اخیر در فناوری BCI، تلاش‌ها برای فعال کردن ارتباطات کند و مستعد خطا بوده است. این به این دلیل است که برنامه‌های یادگیری ماشینی که سیگنال‌های مغز را تفسیر می‌کردند، به زمان و داده زیادی برای اجرا نیاز داشتند.

برندمن توضیح داد: “سیستم های BCI گفتار قبلی دارای خطاهای کلمه ای مکرر بودند. این امر درک مداوم کاربر را دشوار می کرد و مانعی برای ارتباط بود.” “هدف ما ایجاد سیستمی بود که به کسی این قدرت را بدهد که هر زمان که می‌خواهد صحبت کند درک شود.”

هارل از این سیستم در هر دو تنظیمات مکالمه اعلان شده و خود به خود استفاده کرد. در هر دو مورد، رمزگشایی گفتار در زمان واقعی، با به‌روزرسانی‌های مداوم سیستم برای حفظ عملکرد دقیق آن اتفاق افتاد.

کلمات رمزگشایی شده روی یک صفحه نمایش داده شد. به طرز شگفت انگیزی، آنها با صدایی بلند خوانده شدند که شبیه صدای هارل قبل از ابتلا به ALS بود. صدا با استفاده از نرم افزار آموزش دیده با نمونه های صوتی موجود از صدای قبل از ALS او ساخته شد.

در اولین جلسه آموزش داده گفتار، سیستم 30 دقیقه طول کشید تا با واژگان 50 کلمه ای به 99.6 درصد دقت کلمات دست یابد.

استاویسکی گفت: “اولین باری که سیستم را امتحان کردیم، او از خوشحالی گریه کرد زیرا کلماتی که می خواست به درستی بیان کند روی صفحه ظاهر شد. همه ما این کار را انجام دادیم.”

در جلسه دوم حجم واژگان بالقوه به 125000 کلمه افزایش یافت. تنها با 1.4 ساعت داده آموزشی اضافی، BCI با این دایره لغات بسیار گسترده به دقت 90.2 درصدی کلمات دست یافت. پس از ادامه جمع آوری داده ها، BCI دقت 97.5% را حفظ کرده است.

برندمن می‌گوید: «در این مرحله، ما می‌توانیم چیزی را که کیسی می‌خواهد به درستی بگوید، در 97 درصد مواقع رمزگشایی کنیم، که بهتر از بسیاری از برنامه‌های کاربردی تلفن هوشمند تجاری موجود است که سعی می‌کنند صدای افراد را تفسیر کنند.» “این فناوری متحول کننده است زیرا برای افرادی که می خواهند صحبت کنند اما نمی توانند امید ایجاد کند. من امیدوارم که فناوری مانند این سخنرانی BCI به بیماران آینده کمک کند تا با خانواده و دوستان خود صحبت کنند.”

این مطالعه بر روی 84 جلسه جمع آوری داده ها در طول 32 هفته گزارش می دهد. در مجموع، هارل بیش از 248 ساعت از بیان BCI در مکالمات خود گام برای برقراری ارتباط حضوری و چت ویدیویی استفاده کرد.

هارل گفت: “نتوانی در برقراری ارتباط بسیار ناامید کننده و تضعیف کننده روحیه است. مثل این است که شما در دام افتاده اید.” چیزی شبیه به این فناوری به مردم کمک می کند تا به زندگی و جامعه بازگردند.

نیکلاس کارت، نویسنده اصلی این مطالعه، گفت: دیدن کیسی که توانایی صحبت کردن با خانواده و دوستانش را از طریق این فناوری دوباره به دست می‌آورد، بسیار لذت بخش بوده است. Card یک محقق فوق دکترا در بخش جراحی مغز و اعصاب UC Davis است.

کیسی و دیگر شرکت‌کنندگان BrainGate ما واقعاً فوق‌العاده هستند. آنها برای پیوستن به این آزمایش‌های بالینی اولیه مستحق اعتبار فوق‌العاده هستند. آنها این کار را به این دلیل انجام نمی‌دهند که امیدوارند منافع شخصی به دست آورند، بلکه برای کمک به ما برای توسعه سیستمی که ارتباطات و تحرک را بازیابی می‌کند. برای سایر افراد مبتلا به فلج.” هوچبرگ یک متخصص مغز و اعصاب و متخصص اعصاب در بیمارستان عمومی ماساچوست، دانشگاه براون و سیستم مراقبت بهداشتی VA Providence است.

برندمن محقق اصلی کارآزمایی بالینی BrainGate2 مسئول سایت است. آزمایشی در حال ثبت نام از شرکت کنندگان است. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد مطالعه به آدرس https://www.braingate.org/ مراجعه کنید