Zdjęcie: Noah Berger, Kalifornia w San Francisco
Ann, kobieta sparaliżowana na skutek udaru, jest w stanie komunikować się za pomocą cyfrowego awatara, który odtwarza jej głos, a nawet mimikę twarzy: zasługa leży w nowym interfejsie mózg-komputer (lub Bci od akronimu Brain computer interface, systemy, które pozwalają na stworzenie pomostu między urządzeniami a ludzkim mózgiem), któremu udaje się przetłumaczyć sygnały aktywności mózgu na słowa i wyrażenia, aby umożliwić szybszą i bardziej naturalną komunikację. Wyniki eksperymentu zostały opublikowane w Nature przez naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco i Berkeley.
Donatella Mattia, neurolożka i dyrektor Laboratorium Obrazowania Neuroelektrycznego i BCI w Fundacji Santa Lucia Irccs w Rzymie, komentuje: "Obecna ewolucja inwazyjnych systemów interfejsów mózg-komputer, jak wynika z niedawnej konferencji, która zgromadziła czołowych światowych ekspertów w tej dziedzinie, ma przed sobą dwa wyzwania: czujniki umieszczone w mózgu i potrzebę długiego szkolenia algorytmów dekodujących sygnały mózgowe generowane podczas produkcji języka. Badanie to stanowi nowość, ponieważ pokazuje technologiczną możliwość stworzenia protezy opartej na BCI, zdolnej do przywrócenia naturalnego języka osobie dotkniętej uszkodzeniem układu nerwowego".
Historia Ann
W wieku 30 lat Ann, która była nauczycielką matematyki, doznała udaru pnia mózgu, w wyniku którego została poważnie sparaliżowana. Straciła kontrolę nad wszystkimi mięśniami i nie mogła nawet oddychać. Stało się to nagle pewnego popołudnia, z powodów, które wciąż pozostają niewyjaśnione. Przez następne pięć lat Ann kładła się spać każdej nocy w obawie, że umrze we śnie. Minęły lata fizykoterapii, zanim była w stanie poruszać mięśniami twarzy na tyle, by się śmiać lub płakać. Jednak mięśnie, które pozwalały jej mówić, pozostały nieruchome.
Obecnie Ann pomaga naukowcom z UC San Francisco i UC Berkeley w opracowaniu nowej technologii mózg-komputer, która pewnego dnia może pozwolić ludziom takim jak ona na bardziej naturalną komunikację za pośrednictwem cyfrowego awatara, który wygląda jak człowiek. Po raz pierwszy język lub mimika twarzy zostały zsyntetyzowane z sygnałów mózgowych. System może również dekodować te sygnały na tekst z szybkością prawie 80 słów na minutę, co stanowi znaczną poprawę w stosunku do 14 słów na minutę dostarczanych przez obecne urządzenie komunikacyjne.
Implant z 253 elektrodami
Zespół kierowany przez neurochirurga Edwarda Changa zastosował w mózgu kobiety bardzo cienki prostokątny implant zawierającą 253 elektrody: urządzenie, umieszczone w obszarze kluczowym dla komunikacji, wykrywa sygnały mózgowe, które nie mogą być już wysyłane do aparatu mowy (język, usta, krtań) i mięśni twarzy z powodu udaru. Sygnały te są następnie przesyłane do systemu sztucznej inteligencji, który był szkolony przez wiele tygodni, aby rozpoznawać fale mózgowe kobiety, które odpowiadają różnym dźwiękom (fonemom) tworzącym słowa.
Aby wszystko było bardziej realistyczne, naukowcy połączyli algorytm syntetyzujący słowa z głosem samej pacjentki (zaczerpniętym z nagrań wykonanych podczas jej ślubu). Wreszcie, twarz awatara odtworzonego na ekranie komputera była animowana na podstawie sygnałów mózgowych kobiety dzięki oprogramowaniu odtwarzającemu ruch jej mięśni twarzy.
Kolejnym ważnym krokiem dla zespołu jest stworzenie wersji bezprzewodowej, która nie wymagałaby fizycznego połączenia Ann z BCI. "Zapewnienie osobom takim jak Ann możliwości swobodnego sterowania komputerami i telefonami za pomocą tej technologii miałoby znaczny wpływ na ich niezależność i interakcje społeczne" - wskazuje współautor pierwszego artykułu, dr David Moses, adiunkt w dziedzinie chirurgii neurologicznej.
Profesor Chang ma nadzieję, że ten najnowszy przełom w badaniach doprowadzi do zatwierdzonego przez FDA systemu, który umożliwi mowę z sygnałów mózgowych w najbliższej przyszłości. "Naszym celem jest przywrócenie pełnej ucieleśnionej komunikacji, która jest dla nas najbardziej naturalnym sposobem rozmawiania z innymi" - wyjaśnia Chang, członek UCSF Weill Institute for Neurosciences i wybitna profesor Jeanne Robertson. "Te postępy znacznie przybliżają nas do uczynienia z tego realnego rozwiązania dla pacjentów".
Liczba przypadków udaru mózgu
Na całym świecie udar może dotknąć jedną na cztery osoby dorosłe w wieku powyżej 25 lat, a u 75% z nich może rozwinąć się trwały niedowład kończyn górnych, poważnie ograniczając ich autonomię fizyczną. We Włoszech każdego roku występuje około 200 000 przypadków udaru mózgu: 80% to nowe epizody, a 20% to nawroty. Chociaż śmiertelność spada, udar jest trzecią główną przyczyną zgonów po chorobach układu krążenia i nowotworach oraz główną przyczyną niepełnosprawności. W naszym kraju liczba osób, które przeżyły udar, z mniejszym lub większym stopniem niepełnosprawności, wynosi około 913 000. Około rok po ostrym zdarzeniu jedna trzecia osób, które przeżyły udar, ma wysoki stopień niepełnosprawności, do tego stopnia, że są one całkowicie zależne od innych.
Technika badana od dziesięcioleci
BCI są badane od dziesięcioleci, a takie studia nie ograniczają się tylko do sfery akademickiej. Po stronie komercyjnej konkuruje ze sobą wiele wielkich nazwisk w branży komputerowej: od Elona Muska po Billa Gatesa i Jeffa Bezosa, którzy inwestują miliardy dolarów w badania nad interfejsami mózg-komputer.
W 2022 roku sensację wywołało badanie kliniczne przeprowadzone na 36-letnim mężczyźnie, dla którego postęp stwardnienia zanikowego bocznego (SLA) uniemożliwia jakikolwiek ruch i któremu udało się porozumiewać dzięki interfejsowi mózg-komputer. Badanie, opublikowane w Nature Communications, zostało przeprowadzone przez zespół naukowców ze szwajcarskiego Wyss Centre for Bio- and Neuro-Engineering w Genewie.
Również w Stanach Zjednoczonych, ale na Uniwersytecie Stanforda, zespół neurochirurga Jaimie Hendersona opublikował wyniki innego badania klinicznego w Nature. BCI zostało z powodzeniem wszczepione Pat Bennett, 68-letniej kobiecie, u której w 2012 roku zdiagnozowano stwardnienie zanikowe boczne, postępującą chorobę neurodegeneracyjną, która atakuje neurony kontrolujące ruch, powodując fizyczne osłabienie i ostatecznie paraliż.
Eksperyment przeprowadzony przez naukowców z UC San Francisco opiera się na ponad dziesięcioletnich wysiłkach neurochirurga Edwarda Changa i jego zespołu. Prace, które już w 2021 r. doprowadziły do pomyślnego opracowania "neuroprotezy głosowej", która umożliwiła mężczyźnie z ciężkim paraliżem komunikowanie się zdaniami, przekładając sygnały z mózgu na przewód głosowy bezpośrednio na słowa, które pojawiają się jako tekst na ekranie. Badanie zostało opublikowane 15 lipca w New England Journal of Medicine .
Tłumaczenie sygnałów mózgowych na słowa
Wcześniejsze prace w dziedzinie neuroprotetyki komunikacyjnej koncentrowały się na przywracaniu komunikacji za pomocą metod opartych na pisowni w celu wpisywania liter jedna po drugiej w tekście. Z drugiej strony, zespół profesora Changa skupił się na tłumaczeniu sygnałów kontrolujących mięśnie układu głosowego w celu wymawiania słów, a nie sygnałów poruszających ramieniem lub dłonią w celu umożliwienia pisania na klawiaturze. Chang powiedział, że takie podejście wykorzystuje naturalne, płynne aspekty mowy i zapewnia szybszą, bardziej organiczną komunikację.
"Dzięki mowie zwykle przekazujemy informacje z bardzo dużą prędkością, do 150 lub 200 słów na minutę" - powiedział, wskazując, że podejścia oparte na pisowni wykorzystujące pisanie na klawiaturze i sterowanie kursorem są znacznie wolniejsze i bardziej pracochłonne. "Przechodzenie bezpośrednio do słów, tak jak robimy to tutaj, ma ogromne zalety, ponieważ jest bliższe sposobowi, w jakim normalnie mówimy".
Kwestia etyczna: neuroprawa
Pierwsze próby kliniczne interfejsów mózg-komputer również rodzą pytania natury etycznej. W badaniu opublikowanym w 2019 r. we Frontiers in Neuroscience, Elisabeth Hildt z Center for the Study of Ethics in the Professions (Illinois Institute of Technology, Chicago) zastanawiała się w ten sposób. "Kwestie etyczne… obejmują aspekty bezpieczeństwa, działania, wspólnej kontroli, odpowiedzialności, prywatności, tożsamości, samoakceptacji i "rozszerzonego umysłu"". Problem dotyczy teraz nie tylko momentu badania klinicznego, ale także "później".
Jessica Hamzelou przedstawia to czarno na białym w artykule w Mit Review opowiadającym historię Rity Leggett, Australijki z ciężką przewlekłą epilepsją, której eksperymentalny implant mózgowy zmienił jej poczucie działania i siebie. Nosiła go w codziennym życiu i wyznała badaczom, że stała się "jednością" ze swoim urządzeniem. Była zszokowana, gdy dwa lata później powiedziano jej, że musi usunąć implant, ponieważ firma, która go wyprodukowała, zbankrutowała. Chciałaby go zatrzymać, ale nie było na to szans.
Wśród etyków i prawników bada się zatem znaczenie "neuro-praw", podzbioru praw człowieka, które dotyczą ochrony ludzkiego mózgu i umysłu. Niektórzy z nich rozważają obecnie, czy prawa neuroracjonalne można uznać w ramach ustalonych praw człowieka, czy też potrzebne są nowe przepisy.
"Pierwszym krokiem w tym procesie mogłoby być opracowanie przez interdyscyplinarny zespół badaczy zaleceń lub wytycznych" - podsumowuje Elisabeth Hildt.