Новый интерфейс мозг-компьютер позволяет парализованному человеку снова говорить

Устройство переводит сигналы мозга в речь с точностью 97%.

Исследователи Калифорнийского университета в Дэвисе представили новаторский интерфейс мозг-компьютер (BCI), который может переводить сигналы мозга в речь с удивительной точностью, достигающей 97%. Эта передовая технология дает луч надежды людям с тяжелыми нарушениями речи, вызванными такими неврологическими заболеваниями, как боковой амиотрофический склероз (БАС).

БАС, также известный как болезнь Лу Герига, – это разрушительное неврологическое заболевание, которое постепенно лишает человека способности двигаться, говорить и в конечном итоге дышать. По мере прогрессирования болезни разрушаются нервные клетки, контролирующие добровольные движения мышц, что приводит к полному параличу и потере речи. Для больных неспособность общаться может быть одним из наиболее изолирующих и деморализующих аспектов болезни.

Но теперь, благодаря инновационной системе BCI, коммуникационные барьеры, возможно, будут устранены. Эта система работает, интерпретируя сигналы мозга, связанные с речью, и преобразуя их в текст, который затем озвучивается компьютером. Прорыв был отмечен в исследовании, опубликованном вчера в New England Journal of Medicine.

Новая технология была разработана с главной целью – вернуть способность общаться людям, потерявшим речь из-за паралича или неврологических заболеваний. BCI функционирует путем обнаружения активности мозга, когда пользователь пытается говорить. Затем он переводит эти сигналы в текст, который может быть прочитан вслух компьютером. Этот замечательный инженерный подвиг был совершен командой из Калифорнийского университета в Дэвисе под руководством нейрохирурга Дэвида Брандмана и нейробиолога Сергея Ставиского.

“Наша технология BCI помогла человеку с параличом общаться с друзьями, семьей и сиделками”, – говорит Брандман, доцент кафедры неврологической хирургии Калифорнийского университета в Дэвисе и содиректор лаборатории нейропротезирования Калифорнийского университета в Дэвисе. “Наша работа демонстрирует самый точный речевой нейропротез из когда-либо созданных”.

Точность и скорость работы системы отличают ее от предыдущих разработок, которые часто требовали длительного обучения и давали противоречивые результаты. Новая система BCI позволяет общаться практически в режиме реального времени, и это достижение имеет огромное значение для качества жизни таких пациентов, как Кейси Харрелл, 45-летний мужчина с БАС, который участвовал в исследовании. Он был включен в клинические испытания BrainGate для тестирования новой системы BCI. На момент регистрации у Харрелла была значительная слабость в конечностях, а его речь была едва понятна. Общение требовало от других людей интерпретации его слов, что было медленным и зачастую утомительным процессом.

В июле 2023 года Брандман имплантировал устройство BCI в мозг Харрелла. Устройство состоит из четырех микроэлектродных массивов, размещенных в левой прецентральной извилине – области мозга, участвующей в координации речи. Эти массивы регистрируют активность мозга с 256 корковых электродов, улавливая нейронные команды, предназначенные для речи.

“Мы действительно обнаруживаем их попытки двигать мышцами и говорить”, – объясняет Стависки, который также является доцентом кафедры неврологической хирургии и содиректором лаборатории нейропротезирования UC Davis. “Мы ведем запись с той части мозга, которая пытается послать эти команды мышцам. Мы, по сути, слушаем их и переводим эти паттерны мозговой активности в фонему – слог или единицу речи – и затем в слова, которые они пытаются произнести”.

Система BCI, использованная Харреллом, с самого начала показала беспрецедентные результаты. Во время первого сеанса обучения речевым данным потребовалось всего 30 минут, чтобы достичь точности 99,6 % слов при словарном запасе в 50 слов. Это был значительный скачок вперед по сравнению с предыдущими системами, которые часто испытывали трудности с точностью и требовали длительных периодов обучения.

Система была протестирована как в условиях подсказки, так и в спонтанной беседе, декодируя речь в режиме реального времени. Во время второй сессии объем словарного запаса был значительно увеличен до 125 000 слов, и BCI сохранила точность 90,2 %, потратив всего 1,4 часа на дополнительное обучение. При постоянном использовании система стабильно обеспечивает точность 97,5 %.

Этот уровень точности выше, чем у многих коммерческих приложений для смартфонов, предназначенных для интерпретации разговорной речи. Для Харрелла это означает, что теперь он может общаться более эффективно, чем когда-либо прежде, используя систему, которая не только понимает его слова, но и произносит их голосом, похожим на его собственный, до того как БАС лишил его дара речи.

“Когда мы впервые попробовали систему, он заплакал от радости, когда на экране появились слова, которые он пытался правильно произнести. Мы все плакали”, – вспоминает Стависки.

Эмоциональное воздействие возможности снова общаться невозможно преуменьшить, особенно для тех, кто испытал разочарование и изоляцию, которые возникают при потере способности говорить.

За время исследования Харрелл использовал BCI в 84 сеансах сбора данных в течение 32 недель. Он провел более 248 часов, общаясь с помощью этой технологии как лично, так и в видеочатах. Возможность снова участвовать в разговорах стала судьбоносной для Харрелла, который выразил благодарность за технологию, вернувшую ему голос.

“Невозможность общаться так расстраивает и деморализует. Вы словно оказываетесь в ловушке”, – говорит Харрелл. “Подобные технологии помогут людям вернуться в жизнь и общество”.

Ли Хохберг, невролог и нейробиолог, участвовавший в исследовании BrainGate, высоко оценил вклад Харрелла и других участников в это новаторское исследование.

“Кейси и другие участники BrainGate – поистине выдающиеся люди. Они заслуживают огромной благодарности за участие в этих ранних клинических испытаниях”, – сказал Хохберг. “Они делают это не потому, что надеются получить какую-то личную выгоду, а чтобы помочь нам разработать систему, которая восстановит коммуникацию и подвижность для других людей с параличом”.

Будущее технологии BCI Данное исследование представляет собой важную веху в развитии BCI для восстановления речи. Технология, все еще находящаяся на стадии исследования, показывает большие перспективы не только для пациентов с БАС, но и для людей с другими заболеваниями, приводящими к нарушению речи, такими как травмы спинного мозга или инсульты.

По мере развития технологии есть надежда, что она станет широко доступной для помощи тем, кто потерял способность общаться из-за неврологических заболеваний. Команда UC Davis намерена и дальше совершенствовать систему, делая ее более быстрой, точной и простой в использовании.

“Честно говоря, причина, по которой эта технология настолько преобразующая, заключается в том, что она дает надежду людям, живущим с подобными заболеваниями”, – говорит Брандман. “Я надеюсь, что технология, подобная этому речевому BCI, поможет будущим пациентам разговаривать со своей семьей и друзьями”.

Для таких пациентов, как Кейси Харрелл, который сейчас пользуется этой технологией, возможность снова общаться – это не просто медицинское достижение; это возвращение к жизни, воссоединение с миром и восстановление достоинства.

“Я надеюсь, что наступит время, когда у каждого, кто похож на меня, будет такая же возможность, как у меня, иметь подобное устройство, которое поможет им общаться”, – сказал Харрелл. “Давайте все сделаем так, чтобы это произошло, хорошо?”

Исследование Nicholas S. Card, Ph.D et. al.. “An Accurate and Rapidly Calibrating Speech Neuroprosthesis” N Engl J Med 2024; https://doi.org/10.1056/NEJMoa2314132