Американские учёные создали речевой нейропротез – устройство, которое переводит мозговые импульсы напрямую в текст на экране компьютера. Как сообщает издание New England Journal of Medicine, разработка позволит людям, утратившим возможность говорить из-за травмы или болезни, общаться и выражать свои мысли целыми предложениями.
Доктор Эдвард Чанг проводит исследование работы нейроречевого протеза
University of California, San Francisco / Mike Kai Chen
Исследование экспериментального аппарата проходило на базе Калифорнийского университета в Сан-Франциско при участии добровольца с обширным параличом. В область его мозга, отвечающую за речевую функцию, внедрили 128 электродов, которые передавали нейронные импульсы в специальный компьютер. При попытке испытуемого произнести слова устройство фиксировало сигналы мозга, отправляло их компьютеру, а он их переводил в текст.
Аппарат успешно прошёл эту фазу исследований и показал феноменальные результаты: за 50 сеансов в течение 81 недели устройство распознало и выучило 50 слов, из которых можно составить порядка тысячи предложений.
Кроме того, разработка существенно увеличила скорость распознания слов: если при использовании альтернативных синтезаторов речи или наборе текста с помощью движения глаз и специальных сканеров удаётся достичь показателя в восемь слов в минуту, то нейропротез позволяет «выдавать» от 15 до 18 слов.
"Насколько нам известно, это первый успешный эксперимент декодирования слов напрямую из мозговой активности человека, который парализован и не может говорить. Это большой шаг на пути к созданию возможности коммуницировать больным через использование естественных речевых механизмов мозга", – рассказал в беседе с Metro один из руководителей проекта профессор Эдвад Чанг.
Учёные предполагают, что в ближайшем будущем технология будет усовершенствована и электроды смогут передавать из мозга до 150 слов в минуту – как в нормальной речи здорового человека. Некоторые высказывают и куда более оптимистичные прогнозы.
"Устройство, способное декодировать слова из мозга, может в конечном итоге помочь тысячам людей, перенёсших инсульт или черепно-мозговую травму. 50 слов – огромное достижение. Но это только верхушка айсберга. Я думаю, что скоро можно будет достичь 500 или 5000 слов", – приводит National Public Radio слова профессора инженерной школы Стэнфордского университета Кришны Шенойи.
Стоит отметить, что подобные разработки велись и раньше, и некоторые из них были весьма успешны, однако они касались не речи и текста, а движений и визуальных образов.
История же создания так называемых нейроинтерфейсов корнями уходит ещё в XIX век, когда британский физиолог Ричард Катон в 1874 году обнаружил электрическую активность мозга, а в 1929 году немец Ханс Бергер впервые зафиксировал её на бумаге, назвав электроэнцефалограммой (ЭЭГ).
В 50-х годах были предприняты первые успешные попытки внедрения электродных разработок в живой мозг. Устройство установили в мозг быка, с помощью пульта управления отправляли на него сигналы, получая которые бык менял траекторию движения.
В 1963 году подобный эксперимент был проведён уже на людях. Группа испытуемых переключала изображения на проекторе, нажимая на кнопку. Учёные с помощью микроэлектродов напрямую связали мозг с проектором и отключили кнопку. Участники исследования об этом не знали, продолжали нажимать на кнопку, но меняли картинки уже буквально силой мысли.
В начале 70-х годов появились первые массовые нейропротезы, позволяющие глухим людям слышать. На сегодняшний день по разным источникам число пользователей таких устройств приближается к миллиону человек.
Позже, уже в 1998 году, специальный чип вживили в мозг парализованного мужчины. Представляя движения рук в голове, он мог передвигать курсор мыши на экране компьютера. Через шесть лет эта технология усовершенствовалась, и впервые человек получил роботизированный протез руки, который также управлялся мыслью с помощью нейрочипа.
В 1999 году учёные с помощью нейроинтерфейса смогли получить изображение, воспринимаемое мозгом кошки, а в 2013-м уже человек, страдающий цветовой слепотой, получил нейропротез, который распознает цвета, переводит их в звук и транслирует напрямую во внутреннее ухо.
Стараются не отставать от тенденции и отечественные учёные. В МФТИ создали комплекс «Когниграф», который анализирует ЭЭГ при просмотре видеороликов и картинок. Специалисты утверждают, что уже к 2025 году с помощью устройства можно будет запечатлеть сон человека.
"Сейчас мы знаем гораздо больше о том, как подслушивать эти разговоры в голове. Однако такое подслушивание может поставить под угрозу личную жизнь человека. Это связано с тем, что устройства, подключённые непосредственно к мозгу, могут затруднить людям отделение личных мыслей от тех, которые они решили произнести вслух. Необходимо, чтобы создаваемые нами устройства позволяли такое разделение и позволяли людям обдумывать свои личные мысли без того, чтобы что-либо просто транслировалось в мир", – пояснил доцент кафедры биомедицинской инженерии в Университета Эмори Четан Пандаринат в беседе с Nature.
Пока нейроинтерфейсы по большей части обслуживают нужды медицины, однако сейчас использование подобных технологий наблюдается и в других областях. Например, уже существуют VR-игры, где не требуется джойстик, автоконцерн Nissan создаёт шлем, позволяющий управлять автомобилем силой мысли, Facebook разрабатывает чип, позволяющий набирать до 100 слов в минуту, не касаясь клавиатуры, и даже существует нейрогарнитура для медитации, которая преобразует электрические импульсы мозга в звук. Что уж говорить про Илона Маска с его обезьяной, которая благодаря нейрочипу может играть в компьютерную игру, не совершая для этого видимых физических действий.
Подобные технологии подвели человека на расстояние вытянутой руки к возможности полностью оцифровать мозг и перенести свой разум, включая эмоции и воспоминания, в компьютер. Футуролог и бизнесмен, руководитель проекта "Технический прогресс и экономика будущего" Кирилл Игнатьев в беседе с журналом "Профиль" высказал мнение, что вскоре это станет своеобразным вариантом бессмертия, когда «выгруженный» на диск мозг можно будет вставить в другой живой организм. Сможет ли в «цифровой голове» происходить непостижимый пока науке процесс зарождения мысли и творчества, пока неясно. Вопрос об этичности такого способа бессмертия и самого факта чтения мыслей остаётся пока открытым.
Основные авторы исследования
- Эдвард Чанг, доктор медицины, более десяти лет изучает, как мозг производит и анализирует речь, и стремится разработать речевой протез для восстановления голоса людей, потерявших речь из-за паралича и других форм неврологических повреждений.
- Дэвид Мозес, доктор философии, инженер лаборатории Чанга, один из ведущих авторов исследования, разработал методы декодирования и статистические языковые модели, чтобы повысить точность расшифровки электрических импульсов.
- Джесси Лю и Шон Мецгер, бакалавр и магистр медицины. Оба являются участниками объединённой докторской программы UCSF-UC Berkeley по биоинженерии. Оснастили компьютер специальными нейросетями, позволив программе использовать возможности искусственного интеллекта при декодировании. Джесси Лю обучила компьютер распознавать речевую активность в режиме реального времени, а Шон Мецгер разработал систему автозамены слов, аналогичную той, что есть на смартфонах.
Для справки:
Существует целый ряд болезней, которые могут вызвать у человека нарушения речи вплоть до полного лишения возможности говорить. Причиной речевой дисфункции может стать инсульт, черепно-мозговая травма, нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Паркинсона, рассеянный склероз и боковой амиотрофический склероз (болезнь Лу Герига), нейроинфекции (менингит, энцефалит), поражение органов речи (языка гортани и т. д.), ботулизм, а также болезнь Альцгеймера.