Két kutatócsoport fejlesztett olyan eszközöket, melyek az agyban kialakuló elektromos jelek alapján rekonstruálják a beszédet, jóval pontosabban, mint bármelyik korábbi hasonló szerkezet.

Az idegrendszer sérülése komoly következményekkel járhat. Egyesek végtagjai lebénulnak, mások elvesztik a kontrollt az impulzusaik felett, megint mások pedig képtelenné válnak a beszédre. Noha ezek mind gyökerestül felforgatják az egyén hétköznapjait, a beszédképtelenség szinte ellehetetleníti, hogy megértesse magát embertársaival. Ez talán a legsúlyosabb csapás, ami a társas lényt érheti. A beszédprodukció idegrendszeri hátterének alaposabb megismerésével azonban kiderült, hogy egyes esetekben nem kifejezetten a nyelvi képességek vesznek el, hanem a hangképzés feletti kontroll. Ebben az a bíztató, hogy az agyban kialakulnak azok a jelek, amelyek a létrehoznák a beszédet, csak éppen nem működtetik megfelelően a hangképzésben résztvevő izmokat. Tehát ha lehetséges volna dekódolni ezeket a jeleket, akkor a tartalom megjeleníthető lenne valamilyen más módszerrel, például ki lehetne írni egy képernyőre, vagy épp hanggá lehetne alakítani a megfelelő programmal. Ezt a megközelítést használta két kutatócsoport, akik karöltve számoltak be az eredményeikről az egyik legrangosabb tudományos folyóirat, a Nature lapjain.

Az agy elektromos jeleinek rögzítése

Az agyban keletkező jelek dekódolásának első lépése, a jelek rögzítése. Az idegsejtek lényegében elektromos jeleket hoznak létre, ezeket pedig különféle módszerekkel lehet regisztrálni. Az egyik lehetőség a mikroelektródák beültetése az agyszövetbe. Az első beültethető mikroelektródákat az 50-es években hozták létre és azóta is központi jelentőségük van az agyban keletkező elektromos jelek kutatásában. Ezek képesek egy-egy sejt, vagy kisebb sejtcsoportok által generált jelek rögzítésére. A másik lehetőség olyan elektródákra alapul, amelyek kisebb-nagyobb távolságra helyezkednek el a sejtektől, így sejtek milliói által generált mintázatokat rögzítenek az elektromos potenciál változásában. Ezt a módszert elektrokortikográfiának nevezik, mivel az agykéregre (kortex) helyezett elektródák rögzítik az elektromos jelet. A módszer szintén az 50-es években jelent meg az idegtudományban, méghozzá Wilder Penfield és kollégái munkájának nyomán.

Ezekkel a technológiákkal már a 90-es években is megjelentek izgalmas eredmények, azonban igazi áttörések a 2000-es években történtek. Egy vizsgálat során például mikroelektródákat ültettek egy bénult személy mozgatókérgébe. A mikroelektródák jelei egy robotikus kart mozgattak, ami képessé tette a résztvevőt egyszerű mozdulatok elvégzésére, pl. a robotikus kéz ujjainak összezárására és kinyitására. Az első elektrokortikográfiás rendszert szintén a 2000-es évek elején ültették be egy bénult személynek, aki a rendszer segítségével képessé vált akár az otthonában is használni egy szövegíró programot. Azóta egy szakértői becslés szerint körülbelül 50 embernek ültettek be hasonló eszközöket, melyek nagyrésze mikroelektródákkal dolgozik.

Két új szerkezet

Az agyban létrejövő elektromos jelek dekódolását lehetővé tévő eszközök fejlesztésének legújabb fejezetét két új tanulmány hozta el, melyeket amerikai kutatócsoportok végeztek. Mindkét kutatócsoport egy-egy súlyosan bénult pácienssel dolgozott. A kaliforniai Stanford Egyetem kutatói által végzett vizsgálatban egy amiotrófikus laterálszklerózisban szenvedő beteg vett részt. A beteg képes volt az arcizmok mozgatására és hangadásra is, azonban nem volt képes beszélni. A másik, San Franciscó-i kutatócsoport egy olyan beteggel dolgozott, akinek a majdnem húsz évvel korábban volt egy agytörzsi sztrókja, aminek következtében a testének legtöbb izma teljesen lebénult és hangadásra sem volt képes.

A San Franciscó-i kutatók elektrokortikográfiát alkalmaztak. A beteg mozgatókérge fölé ültettek be egy szilikonlapot, amelybe elektródák voltak ágyazva. A kutatók először egy egyszerű feladat révén gyűjtötték be a szükséges adatokat. A betegnek egy képernyőn jelenítettek meg szavakat és arra kérték, hogy képzelje el, amint kimondja őket. Összesen 1024 szóval dolgoztak. A vizsgálat során majdnem két héten át gyűjtötték az adatokat, amely végül közel 18 órányi felvételből állt. Az adatokban egy neurális háló segítségével, vagyis a modern mesterséges intelligencia legkedveltebb módszerével, állapították meg, hogy milyen mintázatok képviselik az egyes szavakat. A tesztelés során arra jutottak, hogy a rendszer képes a betanított 1024 szóból értelmes mondatokat dekódolni, amelyek az esetek nagyjából háromnegyedében valóban azt tükrözték, amit a páciens mondani akart. Mindezt 78 szó/perc sebességgel valósította meg az eszköz, ami nagyjából a fele a normál beszéd sebességének (150 szó/perc).

A Stanford Egyetem kutatói szintén a mozgatókérget célozták, ám ők mikroelektródákat ültettek be az agykéregbe. A folyamat lényegében ugyanaz volt, a résztvevőt arra kérték, hogy képzelje el, amint a képernyőn megjelenő szavakat kimondja. Egy lényeges különbség, hogy jóval nagyobb mennyiségű, 125 000 szót használtak. A neurális háló trenírozása ebben az esetben 8 napon keresztül zajlott, azonban végeredményben itt is nagyjából 18 órányi adat keletkezett. A rendszer hasonló hibaaránnyal működött, azonban valamivel lassabban tudta dekódolni a jeleket, 62 szó/perc sebességgel. Fontos azonban, hogy ezt a teljesítményt egy közel 125-ször nagyobb szótáron produkálta. Ez voltaképpen arra mutat rá, hogy a mikroelektródák által rögzített jelek pontosabban követik le az agyban zajló eseményeket.

Noha az új rendszerek minden korábbinál jobban működnek, továbbra is számos problémát kell megoldani ahhoz, hogy a beszédprodukció helyreállítható legyen. A szakértők a következő limitációkra mutattak rá. Először is, mindkét betegnél működőképesek voltak olyan izmok, melyek normálisan részt vesznek a beszédprodukcióban. Bár ez nem tette lehetővé az önálló beszédet, elképzelhető, hogy ezen funkció megőrzöttsége jelentősen hozzájárult az átütő eredményekhez. Nagy kérdés, hogy hogyan működnének az eszközök olyan betegeknél, akiknél teljes a bénulás. További probléma, hogy az elektródák mindkét esetben vezetékekkel voltak a felvevő berendezéshez kötve, ezek a vezetékek pedig a bőrön át voltak kivezetve. Egy vezeték nélküli berendezés mindenképpen biztonságosabb és a betegek számára is elfogadhatóbb lenne. Az is fontos szempont, hogy az eszközök működtetéséhez magasan képzett személyekre volt szükség, vagyis kétséges, hogy otthoni környezetben is használhatók lennének. Végül pedig arra is ki kell térni, hogy a mikroelektródás megoldás jobb eredményt produkált, ám ezek idővel egyre rosszabb jelet produkálnak a szövetben zajló védekezési folyamatok következményeképp.

Az új eszközök tehát még közel sem tökéletesek, rengeteg munkára lesz még szükség ahhoz, hogy ezek valóban helyreállítsák a beszédprodukciót azoknál a betegeknél, akiknél ez a képesség elveszett. Gondolatolvasásról tehát egyelőre még nagy jóindulattal sem beszélhetünk.

Ez a cikkem az Élet és Tudomány Agyi aktualitások rovatában jelent meg.

Források

Brain implants that enable speech pass performance milestones (nature.com)

A high-performance speech neuroprosthesis | Nature

A high-performance neuroprosthesis for speech decoding and avatar control | Nature