«نورو پروتزها» قدرت تکلم را به معلولین باز می‌گرداند

فرادید| محققان در دانشگاه سانفرانسیسکو، موفق به ساخت "نوروپروتز گفتاری" شدند که به یک فرد مبتلا به فلج مغزی شدید امکان داد با جملات ارتباط برقرار کند. این نانو پورتز گفتاری، سیگنال‌های مغز او را به مستقیما به مجرای صوتی و نتیجتا به کلمات و متن ترجمه می‌کند.

به گزارش فرادید؛ این دستاورد، که با همکاری اولین شرکت کننده در یک آزمایش تحقیق بالینی ساخته شد، حاصل بیش از یک دهه تلاشِ ادوارد چانگ، جراح مغز و اعصاب از دانشگاه سانفرانسیسکو است برای توسعه فناوریی که به افراد معلول اجازه می‌دهد حتی اگر قادر به برقراری ارتباط نباشند، به تنهایی صحبت کنند. این مطالعه در New England Journal of Medicine منتشر شده است.

به گفته‌ی چانگ "این فناوری نویدبخش، روشی قوی برای برقراری ارتباط با ضربه زدن به مکانیزم طبیعی گفتار در مغز است. "

هر ساله هزاران نفر به دلیل سکته، تصادف یا بیماری توانایی قدرت تکلم خود را از دست می‌دهند. با پیشرفت بیشتر، روشی که در این مطالعه توصیف شده می‌تواند روزی این افراد را قادر به برقراری ارتباط کامل کند.

ترجمه سیگنال‌های مغز به گفتار

پیش از این، کار در زمینه نوروپورتز‌های ارتباطی بر بازگرداندن ارتباط از طریق روش‌های مبتنی بر هجی برای تایپ حروف یک به یک در متن بود. مطالعه چانگ با این تلاش‌ها به طرزی حیاتی متفاوت است. تیم او در حال ترجمه سیگنال‌هایی است که برای کنترل عضلات سیستم صوتی برای گفتن کلمات به کار گرفته می‌شوند، نه به عنوان مثال سیگنال‌هایی که برای حرکت بازو یا دست صادر می‌شوند. چانگ می‌گوید این روش جنبه‌های طبیعی و روان گفتار را تحت تأثیر قرار می‌دهد و نوید ارتباط سریع و ارگانیک را می‌دهد.

وی گفت: "با گفتار، ما به طور معمول اطلاعات را با سرعت بسیار بالایی، حداکثر ۱۵۰ یا ۲۰۰ کلمه در دقیقه برقرار می‌کنیم". چانگ با اشاره به اینکه رویکرد‌های مبتنی بر هجی با استفاده از تایپ، نوشتن و کنترل مکان نما بسیار کندتر و پرزحمت‌تر هستند، افزود "انتقال مستقیم سیگنال‌ها به کلمات، همانطور که در اینجا انجام می‌دهیم، دارای مزایای بزرگی است، زیرا به نحوه صحبت معمول ما نزدیکتر است. "

در طی دهه گذشته، پیشرفت چانگ در جهت رسیدن به این هدف توسط بیماران در مرکز صرع UCSF که تحت عمل جراحی مغز و اعصاب قرار داشتند، تسهیل شد تا با استفاده از آرایه‌های الکترودی که روی سطح مغز آن‌ها قرار گرفته است، ریشه تشنج خود را مشخص کند. این بیماران، که همه آن‌ها گفتار طبیعی داشتند، داوطلب شدند تا ضبط مغز خود را برای فعالیت مربوط به گفتار تجزیه و تحلیل کنند. موفقیت اولیه با شکیبایی این داوطلبان، زمینه را برای آزمایش فعلی در افراد فلج فراهم کرد.

پیش از این، چانگ و همکارانش در انستیتوی علوم اعصاب UCSF از الگو‌های فعالیت قشر مغز مرتبط با حرکات مجرای صوتی نقشه برداری کردند که صامت‌ها و مصوت‌ها را تولید می‌کند. برای ترجمه این یافته‌ها به تشخیص گفتار کلمات کامل، دیوید موسی، دکترای دکترای مهندسی فوق دکترا در آزمایشگاه چانگ و یکی از نویسندگان اصلی مطالعه جدید، روش‌های جدیدی را برای رمزگشایی فوری آن الگو‌ها و مدل‌های زبان آماری ایجاد کرد تا دقت را بهبود ببخشد.

اما موفقیت آن‌ها در رمزگشایی گفتار در شرکت کنندگانی که قادر به صحبت بودند، تضمین نمی‌کند که این فناوری در شخصی که دستگاه صوتی اش فلج است، کار خواهد کرد. موسی می‌گوید: "مدل‌های ما نیاز به یادگیری نقشه بین الگو‌های پیچیده فعالیت مغز و گفتار مورد نظر داشتند. وقتی شرکت کننده نتواند صحبت کند، این یک چالش اساسی است. "

علاوه بر این، تیم نمی‌دانست که آیا سیگنال‌های مغزی کنترل کننده مجرای صوتی هنوز برای افرادی که سال‌ها قادر به حرکت دادن عضلات صوتی خود نبودند، سالم هستند یا خیر. موسی می‌گوید: "بهترین راه برای فهمیدن اینکه آیا این کار می‌تواند مفید باشد یا خیر. "


۵۰ کلمه‌ی اول

برای بررسی پتانسیل این فناوری در بیماران فلج، چانگ با کارونش گنگولی، دانشیار عصب شناسی، برای راه اندازی مطالعه‌ای معروف به "BRAVO" (ترمیم بازو و صدا از رابط بین مغز و رایانه) همکاری کرد. اولین شرکت کننده در این آزکایش مردی در اواخر ۳۰ سالگی بود که بیش از ۱۵ سال پیش دچار سکته مغزی ویرانگر در ساقه مغز شده بود و به ارتباط مغز وی با مجرای صوتی و اندام آسیب جدی دیده بود. از زمان جراحت، حرکات سر، گردن و اندام بسیار محدود بوده و با استفاده از اشاره گر متصل به کلاه بیس بال برای نوشتن حروف روی صفحه ارتباط برقرار می‌کرد.

شرکت کننده‌ای که خواست از او به عنوان BRAVO۱ یاد شود، با محققان همکاری کرد تا یک واژگان ۵۰ کلمه‌ای ایجاد کند که تیم چانگ می‌تواند با استفاده از الگوریتم‌های پیشرفته رایانه‌ای، فعالیت مغز را تشخیص دهد. این واژگان - که شامل کلماتی مانند "آب"، "خانواده" و "خوب" است - برای ایجاد صد‌ها جمله بیان کننده مفاهیم قابل استفاده در زندگی روزمره BRAVO۱ کافی بود.

برای مطالعه، چانگ با جراحی یک آرایه الکترود با چگالی بالا را روی قشر موتور گفتار BRAVO۱ کاشت. پس از بهبودی کامل شرکت کننده، تیم وی ۲۲ ساعت فعالیت عصبی در این منطقه مغزی را طی ۴۸ جلسه و چند ماه ثبت کرد. در هر جلسه، BRAVO۱ بار‌ها سعی کرد هر ۵۰ واژه را بگوید در حالی که الکترود‌ها سیگنال‌های مغزی را از قشر گفتارش ضبط می‌کردند.


ترجمه گفتار‌های تلاش شده به متن

برای ترجمه الگو‌های فعالیت عصبی ثبت شده به کلمات خاص در نظر گرفته شده، دو نویسنده اصلی دیگر تحقیق، شان متزگر و جسی لیو، هر دو دانشجوی دکترای مهندسی زیست مهندسی در آزمایشگاه چانگ هستند، از مدل‌های شبکه عصبی سفارشی استفاده کردند، که اشکال این هوش مصنوعی این استکه هنگامی که شرکت کننده قصد صحبت داشت، این شبکه‌ها الگو‌های ظریف در فعالیت مغز را تشخیص می‌دادند تا تلاش برای گفتار را تشخیص دهند و مشخص کنند کدام کلمات را می‌خواسته است بگوید.

برای آزمایش این روش، تیم ابتدا از BRAVO۱ خواست که جملات کوتاه ساخته شده از ۵۰ کلمه ارائه شده و بگوید و تکرار کند. هنگامی که او تلاش می‌کرد، کلمات از فعالیت مغزی او، یک به یک، بر روی صفحه نمایش رمزگشایی می‌شدند.

سپس تیم با پرسیدن سوالاتی از قبیل "امروز چطور هستید؟ " و "آب میل دارید؟ " مانند قبل، تلاش سخنرانی BRAVO۱ روی صفحه ظاهر شد. "من خیلی خوب هستم" و "نه، من تشنه نیستم".


سپس این تیم تحقیقاتی دریافت که این سیستم می‌تواند کلمات را از فعالیت مغز با سرعت حداکثر ۱۸ کلمه در دقیقه و حداکثر ۹۳ درصد دقت (۷۵ درصد متوسط) رمزگشایی کند. مدل زبانی که موسی مورد استفاده قرار داد و عملکرد "تصحیح خودکار" را اجرا می‌کرد، مشابه آنچه در نرم افزار‌های پیام کوتاه و تشخیص گفتار استفاده می‌شود، در این موفقیت نقش داشت.

موسی نتایج اولیه آزمایش را به عنوان اثبات اصل توصیف کرد. وی گفت: "ما از دیدن رمزگشایی دقیق انواع جملات معنی دار به وجد آمدیم. ما نشان داده ایم که در واقع امکان تسهیل ارتباط از این طریق وجود دارد و از پتانسیل استفاده در تنظیمات مکالمه برخوردار است. "

گروه چانگ و موسی اعلام داشته اند که آن‌ها آزمایش را گسترش می‌دهند تا تعداد بیشتری از شرکت کنندگان تحت تأثیر فلج شدید و نقص ارتباطی را شامل شوند. این تیم در حال حاضر در تلاش است تا تعداد کلمات موجود در واژگان موجود را افزایش دهد و همچنین میزان گفتار را بهبود بخشد.

این محققین اظهار داشته‌اند که در حالی که این مطالعه بر روی یک شرکت کننده و یک واژگان محدود متمرکز بود، اما این محدودیت‌ها از موفقیت نمی‌کاهد. موسی میگوید: "این یک مرحله مهم فناوری برای فردی است که نمی‌تواند به طور طبیعی ارتباط برقرار کند و این توانایی بالقوه این صدا را برای صدا دادن به افرادی که فلج شدید و از دست دادن گفتار دارند، نشان می‌دهد. "

منبع: Technology.org