Космопорт "Nefelana"

Зачастую только движение глаз и позволяет несчастным давать на вопросы самые простые ответы — да или нет. В новой работе исследователи расширили этот примитивный словарь до 10 слов. В дополнение к указанным выше это "горячо", "холодно", "голод", "жажда", "здравствуйте", "до свидания", "больше" и "меньше".

В качестве подопытного американцы использовали добровольца, которому уже была сделана временная краниотомия. Этот пациент страдает тяжёлой формой эпилепсии. Размещая электроды на коре головного мозга, медики рассчитывают однажды установить точки, вызывающие припадки. Последующая хирургическая операция, возможно, решит проблему.

Ну а пока череп оставался вскрытым, экспериментаторы воспользовались случаем, чтобы изучить другие участки. Специалисты решили, что запись картины активности нейронов расскажет им — где в мозге рождаются конкретные слова.

Здесь можно увидеть два типа электродов на поверхности мозга пациента. Крупные – это те, что медики применяют для выявления источника эпилептических припадков. А вот зелёный и оранжевый провода заканчиваются экспериментальными массивами по 16 микроэлектродов. Последние выделены белыми точками, поскольку на исходном кадре плохо заметны (фото University of Utah Department of Neurosurgery).

Ранее уже было показано, что при помощи электроэнцефалограммы, снимаемой "мозговой шапкой", можно успешно управляться с настольной игрой, соединять мозг с мозгом, играть в оркестре и командовать андроидом. Но в тех случаях приборы располагались снаружи человека. Физическое проникновение под черепную коробку способно дать исследователям больше информации.

Важно, что для своего опыта учёные использовали ранее созданный в университете Юты "бережный" массив микроэлектродов (microECoG) для электрокортикографии (они и показаны на снимке выше). Эти устройства не проникают в мозг, а лежат на его поверхности и чувствуют потенциал поля, формируемого нейронами.

А ещё новые электроды намного меньше использовавшихся ранее и отстоят друг от друга на расстоянии всего в один миллиметр, что позволяет регистрировать сигналы с более высокой избирательностью.

Исследователи поместили два массива по 16 таких микроэлектродов (квадратики 4 х 4) в две зоны мозга. Первая — лицевая моторная кора, управляющая движениями рта, губ, языка, в общем – мышц, участвующих в речи. Вторая — зона Вернике, связанная с восприятием и распознаванием слов (она работает при произнесении их самим человеком).

В течение четырёх дней подряд с больным проводили по часу занятий. Пациент произносил по указке учёных одно из десяти слов, каждое от 31 до 96 раз. Изучив набор импульсов, авторы эксперимента установили для каждого слова наиболее репрезентативный рисунок активных электродов. А чтобы проверить догадки, американцы провели несколько тестов на угадывание слов.

На этот томографический снимок учёные наложили места крепления всех электродов. Жёлтые – старые, необходимые для поиска источника приступов, красные – два набора microECoG, находящиеся в речевых зонах  (фото Kai Miller/University of Washington).

Считывание с массива из моторной коры в соответствии с ранее опознанными наборами "индивидуальных" для каждого слова электродов позволило верно определять эти самые слова в 85% случаев. Работа только с зоной Вернике дала лишь 76% точности.

Любопытно, что комбинация сигналов из двух областей на качество определения не повлияла. Стало быть, зона Вернике тут мало что даёт. Кстати, когда испытуемый произносил слова, его моторная кора была гораздо активнее, чем зона Вернике, а когда слушал — последняя резко подключалась.

Этот принцип — "подсмотреть, запомнить, сравнить" — использовался и ранее для таких опытов, как извлечение из голов испытуемых чисел и фотографий, увиденных текстов, услышанных слов, пространственного положения и стиля художника.

И не столь важно, какую именно технологию считывания применяют новаторы — магнитно-резонансную томографию или съёмку электрокортикограммы. Главное – распознать активность тех или иных групп нейронов в разных отделах коры с желаемой точностью.

Потому далее наши герои вычислили в каждом из двух массивов microECoG по пять контактов, перемены в сигналах которых оказались наиболее яркими при смене слов. Опираясь только на них, учёным удалось довести точность регистрации заранее выбранного слова до 90%. (Детали эксперимента раскрывают пресс-релиз университета Юты и статья в Journal of Neural Engineering.)

Для реализации идеи мысленной речи необходимо записывать импульсы от всех электродов сразу и выявлять характерные рисунки активности нейронов среди образцов, наложенных один на другой. Попробовав это, изобретатели технологии получили точность 28% для регистрации со всех электродов "оптом" и 48% для регистрации сигналов только от "лучших" пяти электродов microECoG.

Эти числа явно выше десяти процентов попаданий, которые следуют из теории вероятности, если бы распознавание слов было чисто случайным. Но этого уровня, конечно, ещё мало для организации полноценного считывания речи.

	В прошлом году Грегер и его коллеги из университета Юты, в частности профессор нейрохирургии Пол Хаус (Paul House), показанный здесь в операционной, провели успешный опыт по считыванию при помощи мозговых микроэлектродов моторных сигналов, управляющих рукой пациента. Хаус принял участие и в нынешнем эксперименте (фото Kelly Johnson).

Брэдли Грегер (Bradley Greger) из университета Юты, специалист по биоинженерии и один из авторов нынешнего эксперимента, говорит: "Мы получили доказательство концепции — сигналы из мозга можно с некой долей вероятности перевести в слова. Но мы должны обрабатывать больше слов с большей точностью, прежде чем это будет полезно для пациента".

Изобретение microECoG как раз позволяет надеяться на такой прорыв. Электроды, которыми пользовались исследователи и врачи в предыдущих работах, были неудобны для опытов с мысленной речью. Они захватывали сразу слишком много нейронов, чтобы из их показаний извлечь столь тонкие различия, сопровождающие формирование речи. А значит, дальше нужно идти по пути наращивания детализации.

Кстати, другая научная группа в прошлом году, используя похожий метод, сумела вычленить из головы парализованного гласные звуки. На этом фоне 10 слов могут показаться настоящей революцией, но сами "революционеры" воспринимают свой успех сдержанно.

"Это не означает, что проблема полностью решена и мы можем пойти домой, — продолжает Грегер. — Убедившись в работоспособности технологии, теперь нам необходимо оптимизировать её так, чтобы пациенты с синдромом запертого человека могли по-настоящему общаться".

Со слов Брэдли, следующий шаг группы — построение массива microECoG со 121 электродом (11 х 11). Они помогут получить огромное количество информации, что, вероятно, будет означать больше распознаваемых слов.

Со временем данная техника может воплотиться в беспроводный чип-имплантат (наподобие этого прототипа), который по радиоканалу передаёт на компьютер сигналы активности нейронов, чтобы PC воспроизводил сказанное в мыслях. Первая такая серийная система станет действительно революционной.