En protese til tale

I mere end otte år har Erik Ramsey været fanget i sin egen krop. Som 16-årig fik Ramsey en hjernestammeskade efter en bilulykke, hvilket efterlod ham med en tilstand kendt som locked-in syndrom. I modsætning til andre former for lammelser kan fastlåste patienter stadig føle fornemmelse, men de kan ikke bevæge sig af sig selv, og de er ude af stand til at kontrollere de komplekse stemmemuskler, der kræves for at tale. I Ramseys tilfælde er hans øjne hans eneste kommunikationsmiddel: himlen for ja, nedad for nej.

Udtaler: Forskere ved Boston University designer en taleprotese, der en dag kan oversætte tanke til talt ord for mennesker med visse talerelaterede lidelser. Holdet scannede hjernen på en lammet patient og fandt ud af, at inden for det motoriske område af hjernen, der er involveret i tale (mellem de røde og gule linjer), lyser visse områder op (orange) i henhold til forskellige lyde, som patienten mentalt udtaler.

Nu er forskere ved Boston University ved at udvikle hjernelæsende computersoftware, der i bund og grund omsætter tanker til tale. Kombineret med en talesynthesizer har en sådan hjerne-maskine-grænsefladeteknologi gjort det muligt for Ramsey at vokalisere vokaler i realtid – et stort skridt i retning af at genvinde fuld tale for Ramsey og andre patienter med lammende taleforstyrrelser. Forskerne præsenterer deres arbejde på det årlige Acoustical Society of America møde i Paris i denne uge.

Spørgsmålet er, kan vi få nok information ud til at producere forståelig tale? spørger Philip Kennedy om Neurale signaler , en hjerne-computer interface udvikler baseret i Atlanta. Jeg tror, ​​der er et rimeligt skud på dette punkt på dette tidspunkt.

Kennedy og Frank Günther , en lektor ved Boston Universitys afdeling for kognitive og neurale systemer, har afkodet aktivitet i Ramseys hjerne i de sidste tre år via en permanent elektrode implanteret under overfladen af ​​hans hjerne, i et område, der kontrollerer bevægelsen af ​​munden, læberne, og kæbe. Under en typisk session beder holdet Ramsey om mentalt at sige en bestemt lyd, såsom åh eller åh. Mens han gentager lyden i hovedet, opfanger elektroden lokale nervesignaler, som sendes trådløst til en computer. Softwaren analyserer derefter disse signaler for almindelige mønstre, der højst sandsynligt betegner den pågældende lyd.

Softwaren er designet til at oversætte neural aktivitet til det, der er kendt som formantfrekvenser, resonansfrekvenserne i vokalkanalen. For eksempel, hvis din mund er vidt åben og din tunge presses til bunden af ​​munden, skabes der en vis lydfrekvens, når luften strømmer igennem, baseret på stemmemuskulaturens position. Forskellig muskelpositionering skaber en anden frekvens. Guenther trænede computeren til at genkende mønstre af neurale signaler knyttet til specifikke bevægelser af mund, kæbe og læber. Han oversatte derefter disse signaler til de tilhørende lydfrekvenser og programmerede en lydsynthesizer til at projicere disse frekvenser tilbage gennem en højttaler i lydform.

Indtil videre har Guenther og Kennedy programmeret synthesizeren til at afspille lyde inden for 50 millisekunder – det vil sige næsten øjeblikkeligt – fra da Ramsey første gang udtrykte dem i sit hoved. Denne lydafspilningsfunktion har gjort det muligt for Ramsey at øve sig i at indtale vokaler mentalt, først ved at høre hans første ytring, derefter ved at justere sin mentale lydrepræsentation for at forbedre den næste afspilning. Jonathan Brumberg, en ph.d.-studerende i Guenthers laboratorium, siger, at mens hvert forsøg har været langsomt – det kræver stor indsats fra Ramseys side – har resultaterne været lovende. På dette tidspunkt kan han lave disse vokallyde ret godt, siger Brumberg. Vi er nu ret sikre på, at det samme kan opnås med konsonanter.

Men da der er fire gange så mange konsonanter som vokaler, kan det tage år for holdet at afkode alle lydene, for ikke at nævne at sætte dem sammen for at genkende og producere flydende tale. Brumberg siger, at holdet muligvis skal implantere flere elektroder, i områder, der udelukkende er dedikeret til tungen, læberne eller munden, for at få et præcist billede af mere komplekse lyde såsom konsonanter.

Elektroden fanger kun omkring 56 forskellige neurale signaler, siger Brumberg. Men du skal tænke: Der er milliarder af celler i hjernen med billioner af forbindelser, og vi prøver kun en meget lille del af det, der er der.

Holdet har ingen umiddelbare planer om at implantere Ramsey med yderligere elektroder. Men Guenther udforsker også ikke-invasive metoder til at studere taleproduktion hos normale frivillige. Han og Brumberg scanner hjernen på normale højttalere ved hjælp af funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI). Når frivillige udfører forskellige opgaver, såsom at navngive billeder og mentalt gentage forskellige lyde og ord, lyser aktive hjerneområder op som reaktion.

Guenther og Brumberg planlægger at analysere disse scanninger for almindelige mønstre og nulstille specifikke områder relateret til bestemte lyde med det mål at en dag implantere yderligere elektroder i disse regioner. Forskerne siger, at afkodning af signaler inden for disse områder kan hjælpe med at oversætte tale for mennesker med lidelser såsom locked-in syndrom og andre former for lammelser.

For patienter med visse former for talerelaterede lidelser med oprindelse i det perifere nervesystem er denne tilgang meget lovende, siger Vincent gracco , direktør for Center for Research on Language, Mind and Brain ved McGill University. Der er potentiale til at tilbyde et nyttigt middel til at kommunikere for patienter uden fungerende tale på måder, der ikke er blevet undersøgt.

skjule