Interfejs mózg-komputer

Badacze z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco oraz Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley osiągnęli przełom w dziedzinie technologii interfejsu mózg-komputer (BCI). Ich innowacyjny system umożliwił kobiecie, która cierpi na paraliż spowodowany udarem mózgu, komunikację za pomocą cyfrowego awatara. Co więcej, jest to pierwszy przypadek, w którym zarówno mowa, jak i wyrazy twarzy są generowane na podstawie sygnałów z mózgu. System potrafi również przekształcać te sygnały na tekst prędkością -prawie 80 słów na minutę.  

Zespół badawczy na czele z Edwardem Changiem, MD, przewodniczącym neurochirurgii na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Francisco, pracował nad technologią BCI przez ponad dekadę. Jego najnowszy sukces, opublikowany w czasopiśmie naukowym „Nature” 23 sierpnia 2023 roku, może otworzyć drogę do systemu zatwierdzonego przez FDA (agencja żywności w USA), który pozwoli osobom po udarze na komunikację za pomocą sygnałów z mózgu w niedalekiej przyszłości. Celem jest przywrócenie naturalnego sposobu komunikacji dla pacjentów dotkniętych paraliżem. 

W badaniu przeprowadzonym przez zespół Chang’a, na powierzchni mózgu kobiety została wszczepiona cienka matryca zawierająca 253 elektrody. Te elektrody zbierały sygnały mózgowe, które normalnie kontrolowałyby mięśnie języka, żuchwy, krtani i twarzy, gdyby nie udar. Kabel połączony z elektrodami prowadził do banku komputerów. 

Przez kilka tygodni uczestniczka pracowała z zespołem badawczym, trenując algorytmy sztucznej inteligencji systemu, aby rozpoznawały specyficzne sygnały mózgowe związane z mową. Proces ten obejmował wielokrotne powtarzanie różnych fraz z rozmownego słownika składającego się z 1024 słów, aż komputer potrafił identyfikować wzorce aktywności mózgowej związane z dźwiękami. 

Warto zaznaczyć, że badacze nie uczą systemu rozpoznawania całych słów, ale raczej fonemów – podjednostek mowy tworzących słowa. Dla przykładu, słowo „Hello” składa się z czterech fonemów: „HH”, „AH”, „L” i „OW”. To podejście zwiększyło zarówno dokładność, jak i prędkość systemu, jednocześnie zmniejszając liczbę elementów, które musiał się nauczyć, co uczyniło go trzy razy szybszym. 

Aby wygenerować głos kobiety, zespół opracował zaawansowany algorytm do syntezy mowy, który dostosowano, aby brzmiał tak jak jej głos przed udarem. Wykorzystano nagranie z jej przemówienia podczas własnego ślubu. 

Awatar, którym posługuje się w komunikacji, ożywiono za pomocą specjalnego oprogramowania, które symuluje ruchy mięśni twarzy. To oprogramowanie, opracowane przez firmę Speech Graphics, specjalizującą się w animacji twarzy za pomocą sztucznej inteligencji, zostało dostosowane do sygnałów pochodzących z mózgu kobiety. Dzięki temu awatar jest w stanie otwierać i zamykać usta, wystawiać i zaciskać wargi, ruszać językiem w górę i w dół oraz wyrażać różne emocje, takie jak radość, smutek i zdziwienie. Badacze widzą to jako sposób na zrekompensowanie zerwanych połączeń między mózgiem a drogami oddechowymi spowodowanych udarem. Kolejnym ważnym krokiem dla zespołu jest stworzenie bezprzewodowej wersji systemu, co umożliwi użytkownikowi większą niezależność i lepsze interakcje społeczne, eliminując potrzebę fizycznego połączenia z BCI. 

Ten przełomowy wynik ma ogromne znaczenie dla osób dotkniętych poważnymi problemami zdrowotnymi, które utrudniają im komunikację. Daje im to nadzieję na bardziej naturalną i efektywną formę komunikacji, która może poprawić jakość ich życia. Wnioski z tego badania otwierają drogę do nowych możliwości w dziedzinie BCI i mogą przyczynić się do polepszenia życia osób z poważnymi ograniczeniami ruchowymi. To również przykład, jak rozwijająca się technologia może znacząco wpłynąć na zdolność ludzi do komunikacji i odzyskania części utraconej funkcjonalności. Pozostaje jednak pytanie: kogo będzie na to stać?  

Źródło: How artificial intelligence gave a paralyzed woman her voice back | ScienceDaily