Демонстрируя, что можно идентифицировать разные слоги или слова по паттернам нейронной активности, исследование дает идеи, которые потенциально могут быть использованы для восстановления голоса у людей, которые потеряли способность говорить.
Речь включает в себя одни из самых точных и скоординированных движений, которые делают люди. Изучать это увлекательно, но сложно, потому что есть мало возможностей проводить измерения изнутри чьего-либо мозга, пока он говорит. Это исследование проводилось в рамках пилотного клинического испытания BrainGate2 Brain-Computer Interface, в ходе которого тестируется компьютерное устройство, которое может «общаться» с мозгом, помогая восстановить связь и обеспечить контроль над протезами, такими как роботизированные руки.
Исследователи изучали речь, записывая активность мозга с многоэлектродных решеток, ранее помещенных в моторную кору двух человек, принимавших участие в исследовании BrainGate 2. Это позволило им изучить время и место срабатывания большой популяции нейронов, которые активируются во время речи, а не сразу нескольких.
«Сначала мы спросили, активны ли нейроны в так называемой области моторной коры головного мозга во время разговора», – объясняет ведущий автор Сергей Ставиский, научный сотрудник отделения нейрохирургии и Института неврологии Ву Цай при Стэнфордском университете. , НАС. "Это казалось маловероятным, поскольку известно, что эта область контролирует движения рук, а не речь. Но подсказки в научной литературе предполагают, что может быть совпадение."
Чтобы проверить это, команда записала нейронную активность участников во время речевого задания, когда они услышали один из 10 разных слогов или одно из 10 разных коротких слов, а затем произнесли звуковой сигнал после того, как услышали сигнал “ идти ”. Скорость возбуждения нейронов сильно изменилась во время их произнесения слов и слогов, а активные нейроны были распределены по той части моторной коры, которую исследователи записывали. Более того, скорость стрельбы изменилась не так сильно, когда участники слышали звук, а только когда они его произносили.
Это изменение активности нейронов также соответствовало группам похожих звуков, называемых фонемами, и движениям лица и рта. Это говорит о том, что, хотя существует разделение на высоком уровне контроля над различными частями тела через моторную кору, активность отдельных нейронов перекрывается.
Затем команда провела анализ «декодирования», чтобы увидеть, могут ли паттерны возбуждения нейронов раскрыть информацию о конкретном произносимом звуке. Они обнаружили, что, анализируя нейронную активность почти 200 электродов, они могли определить, какой из нескольких слогов или слов произносил участник.
Фактически, определенные паттерны нейронной активности могут правильно предсказывать звук или отсутствие звука более чем в 80% случаев для одного из участников и от 55% до 61% для другого.
«Это говорит о том, что можно было бы использовать эту мозговую активность, чтобы понять, какие слова пытаются сказать люди, которые не могут говорить», – говорит соавтор исследования Кришна Шеной, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза, а также Хонг Сех и Вивиан В. M. Лим, профессор инженерной школы и содиректор переводческой лаборатории нейропротезирования (NPTL) Стэнфордского университета.
«С помощью этого исследования мы показали, что можем идентифицировать слоги и слова, которые люди говорят на основе их мозговой активности, которая закладывает основу для синтеза или производства текста и речи на основе нейронной активности, измеряемой, когда пациент пытается говорить», – заключает соавтор. – старший автор Джейми Хендерсон, Джон и Джен Блюм – Роберт и Рут Гальперины, профессор кафедры нейрохирургии и содиректор NPTL, Стэнфордский университет. "Теперь необходима дальнейшая работа по синтезу непрерывной речи для людей, которые не могут предоставить примеры данных, фактически говоря."