Utrata głosu lub możliwości napisania prostej wiadomości może oznaczać dla osoby cierpiącej na ciężki paraliżTo znacznie więcej niż ograniczenie fizyczne: wiąże się to ze zmniejszeniem autonomii, relacji i, w dużej mierze, samych planów życiowych. W ostatnich latach neurotechnologia skupiła się na tym problemie, poszukując sposobów na przywrócenie tym osobom komunikacji bez polegania na powolnych i wyczerpujących systemach.
W tym kontekście amerykański zespół badawczy pomyślnie przetestował wszczepialny interfejs mózg-komputer Urządzenie, wciąż w fazie eksperymentalnej, zostało przetestowane na dwóch osobach z niemal całkowitym paraliżem i osiągnęło prędkość pisania i poziom dokładności zbliżony do poziomu osoby bez niepełnosprawności ruchowej.
Neuroproteza, która tłumaczy próby pisania na litery
Pracę podpisali naukowcy z Instytut Neurologii Mass General Brighamw Bostonie i Uniwersytet Brownaktórzy od lat współpracują w konsorcjum BrainGate, inicjatywie skupionej na rozwoju interfejsy mózgowo-komputerowe dla osób z paraliżemNowe badanie, opublikowane w czasopiśmie naukowym Nature Neuroscience, opisuje neuroprotezę służącą do pisania, która nie przesuwa kursora, lecz zamiast tego wykorzystuje jako punkt wyjścia tradycyjną klawiaturę QWERTY.
Aby to osiągnąć, naukowcy wszczepiają czujniki mikroelektrodowe w korze ruchowejObszar mózgu odpowiedzialny za kontrolowanie dowolnych ruchów dłoni i palców. Te mikroelektrody wykrywają aktywność elektryczną, która występuje, gdy osoba próbuje mentalnie poruszyć palcami, aby nacisnąć klawisz, mimo że ciało nie jest w stanie wykonać gestu z powodu urazu.
Przed uczestnikiem wyświetla się standardowa klawiatura QWERTY Wraz ze schematycznym przedstawieniem palców. Każda litera jest powiązana z określoną kombinacją ułożenia palców (na przykład w górę, w dół lub zgięte). Kiedy użytkownik wyobraża sobie te ruchy, elektrody zbierają sygnał neuronowy i przesyłają go do systemu komputerowego, który... tłumaczy na znaki tekstowe.
Proces na tym się nie kończy: wyjście dekodera przechodzi przez predykcyjny model językowyFunkcja ta, podobnie jak autokorekta w telefonach komórkowych, pomaga korygować błędy i uzupełniać wyrazy, dzięki czemu ostateczne zdanie jest spójne i jak najwierniej odzwierciedla intencję pacjenta.
Dwóch pacjentów z ciężkim paraliżem jako przypadek testowy
Badanie przeprowadzono z udziałem dwóch osób, bardzo zaawansowany paraliżJeden uczestnik cierpiał na zaawansowaną postać stwardnienia zanikowego bocznego (ALS), a drugi na uraz rdzenia kręgowego w odcinku szyjnym co spowodowało u niego tetraplegię. Obaj uczestniczyli w programie klinicznym BrainGate i wyrazili zgodę na testowanie nowej neuroprotezy.
Po zabiegu wszczepienia mikroelektrod ochotnicy przeszli krótkie szkolenie z obsługi systemu. Zajęło to około 30 fraz kalibracyjnych Aby oprogramowanie mogło dostosować algorytmy dekodowania do sygnałów neuronowych każdej osoby, poproszono ją o napisanie wiadomości, wykorzystując jedynie próby poruszania palcami na wirtualnej klawiaturze wyświetlanej na ekranie.
Wyniki były niezwykłe pod względem szybkości i dokładności. Jeden z uczestników osiągnął prędkość maksymalną 110 znaków na minutęPrzekłada się to na około 22 słowa na minutę, przy współczynniku błędu słownego wynoszącym 1,6%. Ten margines błędu jest porównywalny z marginesem błędu osoby piszącej ręcznie na fizycznej klawiaturze lub na ekranie smartfona.
Drugiemu ochotnikowi, cierpiącemu na zaawansowaną postać SLA i wymagającemu wentylacji mechanicznej, również udało się tworzyć zrozumiałe zdania przez system, choć w nieco wolniejszym tempie. W jego przypadku znaczenie tego postępu jest szczególnie godne uwagi, ponieważ całkowicie utracił zdolność mówienia i nie mógł korzystać z konwencjonalnych technologii wspomagających bez ogromnego wysiłku.
Szczególnie ważnym aspektem badania było to, że obaj pacjenci mogli korzystaj z urządzenia we własnym domuI to nie tylko w warunkach szpitalnych czy laboratoryjnych. Sugeruje to, że wraz z dalszym rozwojem technologia ta mogłaby zostać zintegrowana z codziennymi systemami wsparcia, tak aby osoby cierpiące na ciężki paraliż mogły komunikować się z domu z członkami rodziny, opiekunami lub pracownikami służby zdrowia.
Dlaczego ten interfejs różni się od obecnych systemów
Obecnie wiele osób z paraliżem, które zachowują pewną kontrolę nad wzrokiem, polega na urządzenia śledzące ruch gałek ocznychSystemy te pozwalają użytkownikom wybierać litery lub ikony poprzez przesuwanie wzroku po ekranie, ale, jak opisują sami pacjenci, są one powolne, męczące w obsłudze i podatne na błędy. W wielu przypadkach użytkownicy rezygnują z nich z powodu frustracji, jaką wywołują.
Neuroproteza BrainGate opiera się na innym podejściu: zamiast śledzić wzrok lub przesuwać kursor myślami, skupia się na zdekodować próby ruchu palców na klawiaturze, którą zna niemal każda osoba potrafiąca czytać i pisać. Ta strategia ma dwie wyraźne zalety: z jednej strony pozwala nam wykorzystać pamięć motoryczną, którą wielu pacjentów wykształciło przez lata korzystania z fizycznych klawiatur; z drugiej strony ułatwia dotarcie do wyższe prędkości zapisu niż w przypadku innych systemów komunikacji wspomagającej.
Co więcej, zastosowanie algorytmów sztucznej inteligencji, zarówno do dekodowania sygnału neuronowego, jak i do tworzenia modelu języka, przyczynia się do poprawy dokładności bez konieczności nadmiernego wysiłku poznawczego ze strony użytkownika. Użytkownik nie musi „myśleć o poszczególnych literach”, lecz wyobrazić sobie ruchy palców, tak jak robiłby to podczas pisania.
Zespół badawczy uważa, że połączenie wszczepialnych czujników, zaawansowanego przetwarzania sygnałów i modeli języka zmienia interfejsy mózg-komputer coraz bardziej solidną alternatywę dla istniejących rozwiązań, przynajmniej dla określonej grupy pacjentów z ciężkim paraliżem, u których konwencjonalne systemy nie przynoszą odpowiedniej odpowiedzi.
Rola konsorcjum BrainGate i prognozy na przyszłość
Opracowanie tej neuroprotezy jest częścią prac konsorcjum Brama MózguMiędzynarodowe Stowarzyszenie Neurobiologii (INCAA), założone w 2004 roku, zrzesza neurologów, neurobiologów, inżynierów, informatyków, neurochirurgów, matematyków i innych specjalistów z różnych instytucji akademickich. Ich wspólnym celem jest tworzenie technologii, które umożliwiają... odzyskać utracone funkcje u osób z chorobami neurologicznymi, urazami rdzenia kręgowego lub amputacjami.
W ciągu ostatnich dwóch dekad firma BrainGate wykazała w kontrolowanych badaniach, że interfejsy mózg-komputer można wykorzystać do sterowanie kursorami, ramionami robota lub urządzeniami zewnętrznymi Opublikowany właśnie postęp koncentruje się na komunikacji pisemnej, kluczowej dziedzinie dla osób, które utraciły zdolność mówienia i korzystania z fizycznej klawiatury.
Osoby odpowiedzialne za badania podkreślają, że technologia jest wciąż w fazie badań. Do rozstrzygnięcia pozostają następujące pytania: trwałość implantów, stabilność sygnałów w czasie, możliwe ryzyka związane z zabiegiem chirurgicznym, łatwość obsługi krajowych systemów czy ich dopasowanie do finansowania systemów opieki zdrowotnej, w tym europejskich.
Zespół uważa, że mimo tych środków ostrożności urządzenie otwiera branży drogę do rozwoju w perspektywie średnioterminowej. komercyjne wersje neuroprotez dostosowane do pacjentów o różnych profilach porażenia. Konsorcjum podkreśla, że współpraca między ośrodkami akademickimi i firmami będzie kluczowa dla przełożenia wyników eksperymentów na rzeczywiste rozwiązania kliniczne.
Znaczenie dla pacjentów w Europie i nadchodzące wyzwania
Chociaż badanie przeprowadzono w Stanach Zjednoczonych, jego wpływ ma bezpośrednio związek z osobami z SLA, urazy rdzenia kręgowego lub udar W Europie, w tym w Hiszpanii, gdzie starzenie się społeczeństwa i wzrost zachorowań na choroby neurodegeneracyjne z roku na rok zwiększają zapotrzebowanie na technologie wspomagające komunikację.
W systemach opieki zdrowotnej, takich jak w Hiszpanii, gdzie duży udział ma sektor publiczny, tego typu rozwiązania są zazwyczaj oceniane nie tylko pod kątem skuteczności klinicznej, ale także pod kątem opłacalność i zdolność do integracji w sieciach rehabilitacji neurologicznej i opiece domowej. Możliwość funkcjonowania interfejsów mózg-komputer w środowisku domowym sprzyja ich przyszłej adopcji, pod warunkiem uproszczenia sprzętu i obniżenia kosztów podzespołów.
Patrząc w przyszłość na nadchodzące lata, naukowcy proponują kilka obszarów do poprawy. Jednym z nich jest wprowadzenie niestandardowe klawiatury lub systemy stenograficzne które umożliwiają jeszcze szybsze pisanie; drugi polega na wykorzystaniu tej samej technologii w celu przywrócenia ruchów sięgania i chwytania u osób z porażeniem kończyn górnych, wykorzystując już zidentyfikowane wzorce aktywności neuronalnej.
Mówi się również o połączeniu tych interfejsów z innymi narzędziami pomocniczymi, takimi jak czytniki ekranu, asystenci głosowi czy urządzenia automatyki domowej, w celu zbudowania bardziej dostępne środowiska życia dla osób poruszających się na wózku inwalidzkim lub wymagających ciągłej opieki. Wszystko to ma ten sam wspólny cel: ponowne połączenie mózgu osoby ze światem zewnętrznym, gdy jej ciało przestaje reagować.
Łącznie to nowe badanie kliniczne pokazuje, że wszczepialny interfejs mózg-komputer Może zapewnić osobom z ciężkim paraliżem formę pisemnej komunikacji, która jest szybka, dokładna i wystarczająco stabilna, aby można było jej używać w życiu codziennym. To ważny krok w kierunku rozwiązań, które nie tylko wydłużą życie, ale także pozwolą ludziom żyć z większą autonomią i zdolnością do nawiązywania relacji z innymi.