En talesynthesizer direkte til hjernen

Kunne en person, der er lammet og ude af stand til at tale, som fysikeren Stephen Hawking, bruge et hjerneimplantat til at føre en samtale?

Mindrecorder: Et ark elektroder opfanger elektrisk aktivitet fra hjernens overflade.

Det er målet med en ekspanderende forskningsindsats på amerikanske universiteter, som i løbet af de sidste fem år har bevist, at optageapparater placeret under kraniet kan fange hjerneaktivitet forbundet med at tale.

Mens resultaterne er foreløbige, siger Edward Chang, en neurokirurg ved University of California, San Francisco, at han arbejder på at bygge en trådløs hjerne-maskine-grænseflade, der kunne oversætte hjernesignaler direkte til hørbar tale ved hjælp af en stemmesynthesizer.

Indsatsen på at skabe en taleprotese bygger på succes ved eksperimenter, hvor lammede frivillige har brugt hjerneimplantater til at manipulere robotlemmer ved hjælp af deres tanker (se Tankeeksperimentet). Den teknologi virker, fordi forskere er i stand til groft at fortolke affyringen af ​​neuroner inde i hjernens motoriske cortex og kortlægge den til arm- eller benbevægelser.

Changs team forsøger nu at gøre det samme for tale. Det er en vanskeligere opgave, til dels fordi komplekst sprog er unikt for mennesker, og teknologien kan ikke nemt testes på dyr.

På UCSF har Chang udført taleforsøg i forbindelse med hjerneoperationer, han udfører på patienter med epilepsi. Et ark elektroder placeret under patienternes kranier registrerer elektrisk aktivitet fra hjernens overflade. Patienter bærer enheden, kendt som et elektrokortikografi-array, i flere dage, så lægerne kan lokalisere den nøjagtige kilde til anfald.

Chang har benyttet sig af muligheden for at studere hjerneaktivitet, mens disse patienter taler eller lytter til tale. I en papir i Natur sidste år beskrev han og hans kolleger, hvordan de brugte elektrode-arrayet til at kortlægge mønstre af elektrisk aktivitet i et område af hjernen, der kaldes den ventrale sensoriske motoriske cortex, da forsøgspersoner udtalte lyde som bah, dee og goo.

Der er flere hjerneregioner involveret i vokalisering, men vi mener, at [denne] er vigtig for den tillærte, frivillige kontrol af tale, siger Chang.

Idéen er at registrere den elektriske aktivitet i den motoriske cortex, der forårsager talerelaterede bevægelser af læber, tunge og stemmebånd. Ved matematisk at analysere disse mønstre, siger Chang, viste hans team, at mange vigtige fonetiske træk kan detekteres.

En af de mest skræmmende konsekvenser af sygdomme som ALS er, at når lammelsen spredes, mister folk ikke kun evnen til at bevæge sig, men også taleevnen. Nogle ALS-patienter bruger enheder, der gør brug af resterende bevægelse til at kommunikere. I Hawkings tilfælde bruger han software, der lader ham stave meget langsomt til ord ved at rykke på kinden . Andre patienter bruger eye trackers til at betjene en computermus.

Ideen om at bruge en hjerne-maskine-grænseflade til at opnå næsten-konversationstale er blevet foreslået før, især af Neurale signaler , et firma, der siden 1980'erne har testet teknologi, der bruger en enkelt elektrode til at optage direkte fra hjernen på mennesker med locked-in syndrom. I 2009 beskrev virksomheden indsatsen for at afkode tale fra en 25-årig lammet mand som slet ikke er i stand til at bevæge sig eller tale (se En protese til tale).

En anden undersøgelse , udgivet i år af Marc slutzky ved Northwestern University, gjorde et forsøg på at afkode signaler fra den motoriske cortex, da patienter læste ord højt, der indeholdt alle de 39 engelske fonemer (konsonant- og vokallyde, der udgør tale). Holdet identificerede fonemer med en gennemsnitlig nøjagtighed på 36 procent. Undersøgelsen brugte de samme typer overfladeelektroder, som Chang brugte.

Slutzky siger, at selvom denne nøjagtighed kan virke lav, blev den opnået med et relativt lille udsnit af ord, der blev talt på en begrænset tid. Vi forventer at opnå meget bedre afkodning i fremtiden, siger han. Talegenkendelsessoftware kan også hjælpe med at gætte, hvilke ord folk forsøger at sige, siger videnskabsmænd.

skjule