Technologie pomáhá pacientům s mluvením. Vysílá impulsy z mozku do řečových svalů

Dlouhý výzkum a na jeho konci úspěch. Po více než desetiletém úsilí je na světě projekt neurochirurga Edwarda Changa z University of California San Francisco (UCSF). Jde o technologii, která umožňuje komunikovat lidem s paralýzou, kteří nejsou schopni mluvit. Studie popisující Changovu metodu vyšla 15. července v magazínu New England Journal of Medicine. Nová technologie je silným příslibem obnovení plnohodnotné komunikace pomocí přirozeného řečového aparátu v mozku. A mohla by pomoci tisícům těch, kteří každý rok ztrácejí schopnost mluvit, ať už kvůli mrtvici, nehodě nebo nemoci.

Od jiných podobných počinů, které k obnovení komunikace postižených ztrátou řeči využívají signály k pohybu rukou nebo nohou či psaní písmen, se Changova studie zásadně liší. Jeho tým totiž překládá signály z mozku, které jsou určené k ovládání svalů hlasového systému.

Naše modely se musely naučit mapovat mezi složitými vzory mozkové aktivity a zamýšlenou řečí.

Podle Changa takový přístup proniká do přirozených a plynulých aspektů řeči a slibuje rychlejší a přirozenější komunikaci. „Pomocí řeči většinou komunikujeme vysokou rychlostí, za minutu řekneme až 150 nebo 200 slov,“ vysvětluje na Science Daily s tím, že starší přístupy založené na psaní a ovládání kurzoru jsou podstatně pomalejší a pracnější. „My jdeme rovnou ke slovům, což má velké výhody, protože je to blíže tomu, jak běžně mluvíme.“

Mezi mozkem a řečí

Půdu pro současné zkoumání lidí s paralýzou Changovi poskytli pacienti trpící epilepsií, kteří podstoupili neurochirurgický zákrok, jenž má za cíl zbavit je záchvatů. V rámci tohoto zákroku jim na povrch mozku byla umístěna elektrodová pole, která měla pomoci určit původce záchvatů. Pacienti souhlasili, aby byly záznamy jejich mozkové aktivity poskytnuty i Changovu týmu, který zkoumal, jak tato aktivita souvisí se schopností mluvit.

Na základě toho byl Changův kolega David Moses schopen dekódovat pohyby hlasových cest produkujících hlásky a samohlásky v reálném čase a vyvinout statistické jazykové modely, jejichž prostřednictvím tato zjištění převedl do rozpoznávání konkrétních slov. „Naše modely se musely naučit mapovat mezi složitými vzory mozkové aktivity a zamýšlenou řečí,“ vysvětluje pro Science Daily Moses s tím, že vědci dopředu netušili, jak bude metoda fungovat na člověku, který nemůže delší dobu mluvit. Vědci si totiž nebyli jisti, zda jedinci, kteří nemluvili třeba již několik let, budou schopni rozhýbat hlasové svaly.

Prvních 50 slov po 15 letech

Nezbývalo, než novou technologii vyzkoušet v praxi. K tomu přibral Chang do týmu docenta neurologie Karunesha Gangulyho a spolu zahájili studii známou jako BRAVO (Brain-Computer Interface Restoration of Arm and Voice). Prvním účastníkem se stal třicátník, který kvůli devastující mozkové mrtvici, jež poškodila spojení mezi mozkem, hlasivkami a končetinami, nepromluvil už 15 let, omezené má i pohyby hlavy, krku a končetin.

Muž si přál být označován jako BRAVO1 a s výzkumníky spolupracoval na prvních 50 slovech, které tým dokázal rozpoznat z jeho mozkové činnosti pomocí pokročilých počítačových algoritmů. Slovník obsahující slova jako „voda“, „rodina“ a „dobrý“ stačil k vytvoření stovek vět, díky nimž může BRAVO1 v každodenním životě nyní téměř plnohodnotně komunikovat.

Pro potřeby studie byly BRAVU1 na povrch mozku v oblasti řeči a motoriky implantovány elektrody. Po úplném uzdravení zaznamenali výzkumníci v této oblasti mozku 22 hodin nervové aktivity během 48 sezení v průběhu několika měsíců. Při každém z nich se BRAVO1 mnohokrát pokusil vyslovit každé z 50 slov a elektrody mezitím zaznamenávaly signály jdoucí z jeho mozku.

Milník pro lidi s paralýzou

K překladu vzorů zaznamenané nervové aktivity do konkrétních zamýšlených slov použili doktorandi bioinženýrství v Changově laboratoři a další dva hlavní autoři studie Sean Metzger a Jessie Liu vlastní modely neuronových sítí. Když se BRAVO1 pokoušel mluvit, tyto sítě rozlišovaly jemné vzorce v mozkové aktivitě, aby detekovaly pokusy o řeč a určily, která slova se snaží říci.

Systém dokázal dekódovat slova z mozkové aktivity rychlostí až 18 slov za minutu s přesností až 93 procent (medián 75 procent). K úspěchu přispěl Mosesův jazykový model, který implementoval funkci „automatické opravy“, podobnou té, jíž používá software pro textové zprávy a rozpoznávání řeči. „Byli jsme nadšení, když jsme viděli přesné dekódování různých smysluplných vět,“ říká Moses. „Ukázali jsme, že je skutečně možné tímto způsobem usnadnit komunikaci.“

Do budoucna by vědci chtěli rozšířit výzkum o další účastníky postižené těžkou paralýzou, v současnosti pracují na zvýšení počtu slov dostupných v základním slovníku a na zlepšení rychlosti převodu mozkových signálů do podoby řeči. Chang a Moses také uvedli, že fakt, že se studie zaměřila na jediného účastníka a omezenou slovní zásobu, rozhodně nesnižuje její úspěch. „Jedná se o důležitý technologický milník pro osobu, která neumí přirozeně komunikovat, a ukazuje potenciál tohoto přístupu dát hlas lidem s těžkou paralýzou a ztrátou řeči,“ objasňuje Moses.