Два разных изобретения позволили парализованным выражать мысли ещё быстрее

В двух исследованиях сообщили о достижениях, призванных помочь общению с парализованными. Имплантаты для считывания информации с мозга с помощью искусственного интеллекта (ИИ) позволили двум пациенткам выражать мысли с небывалой для таких случаев точностью и скоростью.

В двух отдельных исследованиях два разных коллектива учёных описали созданные ими интерфейсы мозг-компьютер (ИМК). Публикации о достижениях в один день опубликовал журнал Nature. Разработки преобразуют нейронные сигналы в текст или слова, произносимые синтетическим голосом. Изобретения способны декодировать речь со скоростью 62 и 78 слов в минуту соответственно. Да, здоровый человек обычно разговаривает со скоростью около 160 слов в минуту, однако две новые технологии работают быстрее, чем любые прежние аналоги.

Метод первый

— Фрэнсис Уиллетт, нейробиолог из Стэнфордского университета в Калифорнии, соавтор одной из статей в Nature.

Уиллетт и его коллеги разработали ИМК для интерпретации нейронной активности на клеточном уровне и перевода её в текст. Они помогали 67-летней Пэт Беннетт, страдающей заболеванием двигательных нейронов, также известным как боковой амиотрофический склероз. При таком состоянии прогрессирует потеря мышечного контроля, что приводит к трудностям с передвижением и речью.

Сначала исследователи прооперировали Беннетт, введя на несколько миллиметров маленькие кремниевые электроды в части мозга, которые отвечают за речь. Затем натренировали алгоритмы глубокого обучения, чтобы распознавать уникальные сигналы в мозгу Беннетт, когда она пыталась произносить различные фразы. Пациентка использовала два словарных запаса: большой, из 125 тыс. слов, и малый вокабуляр всего лишь из 50 слов. Затем ИИ расшифровывал слова.

Для словаря из 50 слов ИМК работал в 3,4 раза быстрее, чем более ранний ИМК, разработанный тем же коллективом авторов, и достиг уровня ошибок в 9,1%. Частота ошибок выросла до 23,8% для словарного запаса из 125 тыс. слов. Уиллетт на пресс-конференции пояснил, что при использовании большого вокабуляра примерно три из четырёх слов устройство расшифровывало верно.

Сама пациентка смогла лично пообщаться с журналистами. Пэт Беннетт с помощью ИМК выразила, что открытие означает для способных лишь думать возможность быть на связи с миром и, вероятно, продолжать работать, поддерживать дружеские и семейные отношения.

Метод второй

Во втором исследовании Эдвард Чанг, нейрохирург из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, с коллегами работали с 47-летней женщиной по имени Энн, которая утратила способность говорить 18 лет назад после инсульта.

Они использовали иной подход, разместив на поверхности коры головного мозга Энн прямоугольник толщиной с бумагу с 253 электродами. Такой метод называется электрокортикография. Он известен с 1950-х годов и считается менее инвазивным, то есть не столь травмирующим мозг. Электрокортикография позволяет регистрировать совокупную активность тысяч нейронов одновременно. Эдвард Чанг с коллегами обучили алгоритмы ИИ распознавать закономерности в мозговой активности Энн. Пациентка при этом пробовала «произносить» 249 предложений, используя вокабуляр из 1024 слов. Устройство выдавало 78 слов в минуту со средней частотой ошибок в 25,5%.

Чанг и его команда также создали индивидуальные алгоритмы для преобразования сигналов мозга Энн в синтетический голос и анимированный аватар, имитирующий выражение лица. Они изучили её свадебные видеозаписи и настроили звучание программы так, чтобы голос аватара стал похож на собственный голос Энн до её инсульта.


— Энн на сеансе обратной связи с исследователями.

Чанг отметил, что голос — действительно важная часть нашей идентичности. Речь идёт не только об общении, но и о самовыражении личности.

Критика и применение

Требуется множество усовершенствований, прежде чем ИМК станут доступны для клинического применения. Энн прямо заявила учёным, что идеальный сценарий — это беспроводное подключение. То есть женщина всё же предпочла бы обойтись без трепанации черепа.

Блез Ивер, исследователь нейротехнологий из Гренобльского института неврологии во Франции, убеждён, что ИМК для повседневного использования должен состоять из полностью имплантируемой системы без видимых разъёмов или кабелей.


— Фрэнсис Уиллетт, нейробиолог из Стэнфордского университета.

Блез Ивер отметил, что имплантаты, используемые командой Уиллетта, точнее фиксируют нейронную активность, так что первый ИМК превосходит второе изобретение за счёт более объёмного словарного запаса. Вместе с тем, считает французский невролог, и с помощью электрокортикографии удалось добиться достаточно высокой точности воссозданной речи.

Свою оценку дала также Джуди Иллес, исследователь нейроэтики из Университета Британской Колумбии в Ванкувере, Канада. Устройства необходимо протестировать на гораздо большем количестве людей, чтобы доказать их надёжность, считает она. Иллес предостерегла, что учёные должны быть осторожны и избегать поспешных обобщений относительно многих других лишённых речи пациентов.

Кристиан Херфф, специалист по вычислительной нейробиологии из Маастрихтского университета, Нидерланды, верит, что новые устройства можно будет приобрести уже в самом ближайшем будущем. Но при этом заметил, что участницы обоих исследований по-прежнему способны задействовать мышцы лица, когда думают о разговоре, и области хх мозга, связанные с речью, не повреждены. То есть возможности ИМК будут доступны не для каждого пациента.

Итак, оба коллектива учёных продолжат повышать скорость и точность своих устройств с помощью более надёжных алгоритмов декодирования мыслей в речь.