En protes för tal

I mer än åtta år har Erik Ramsey varit instängd i sin egen kropp. Vid 16 led Ramsey av en hjärnstamskada efter en bilolycka, vilket lämnade honom med ett tillstånd som kallas inlåst syndrom. Till skillnad från andra former av förlamning kan inlåsta patienter fortfarande känna känsla, men de kan inte röra sig på egen hand, och de kan inte kontrollera de komplexa röstmusklerna som krävs för att tala. I Ramseys fall är hans ögon hans enda kommunikationsmedel: uppåt för ja, nedåt för nej.

Talar ut: Forskare vid Boston University designar en talprotes som en dag kan översätta tankar till talat ord för personer med vissa talrelaterade störningar. Teamet skannade hjärnan på en förlamad patient och fann att inom den motoriska delen av hjärnan som är involverad i tal (mellan de röda och gula linjerna), lyser vissa områden upp (orange) enligt olika ljud som patienten mentalt uttrycker.

Nu utvecklar forskare vid Boston University hjärnläsande datorprogramvara som i huvudsak översätter tankar till tal. I kombination med en talsyntes har sådan hjärna-maskin-gränssnittsteknik gjort det möjligt för Ramsey att vokalisera vokaler i realtid – ett stort steg mot att återställa fullt tal för Ramsey och andra patienter med förlamande talstörningar. Forskarna presenterar sitt arbete på årsdagen Acoustical Society of America möte i Paris denna vecka.

Frågan är, kan vi få ut tillräckligt med information som producerar begripligt tal? frågar Philip Kennedy om Neurala signaler , en utvecklare av hjärn-datorgränssnitt baserad i Atlanta. Jag tror att det finns en rättvis chans på det här vid det här laget.

Kennedy och Frank Günther , en docent vid Boston Universitys avdelning för kognitiva och neurala system, har avkodat aktivitet i Ramseys hjärna under de senaste tre åren via en permanent elektrod implanterad under ytan av hans hjärna, i en region som kontrollerar rörelsen i munnen, läpparna, och käken. Under en typisk session ber teamet Ramsey att mentalt säga ett visst ljud, som ooh eller ah. När han upprepar ljudet i huvudet, fångar elektroden upp lokala nervsignaler, som skickas trådlöst till en dator. Programvaran analyserar sedan dessa signaler för vanliga mönster som med största sannolikhet betecknar just det ljudet.

Mjukvaran är utformad för att översätta neural aktivitet till vad som kallas formantfrekvenser, röstkanalens resonansfrekvenser. Till exempel, om din mun är vidöppen och din tunga pressas mot basen av munnen, skapas en viss ljudfrekvens när luft strömmar igenom, baserat på röstmuskulaturens position. Olika muskelpositionering skapar en annan frekvens. Guenther tränade datorn att känna igen mönster av neurala signaler kopplade till specifika rörelser i munnen, käken och läpparna. Han översatte sedan dessa signaler till de tillhörande ljudfrekvenserna och programmerade en ljudsyntes för att projicera dessa frekvenser tillbaka ut genom en högtalare i ljudform.

Hittills har Guenther och Kennedy programmerat synthesizern för att spela upp ljud inom 50 millisekunder – det vill säga nästan omedelbart – från när Ramsey först uttryckte dem i sitt huvud. Denna ljuduppspelningsfunktion har gjort det möjligt för Ramsey att öva på att mentalt uttrycka vokaler, först genom att höra hans första uttalande, sedan genom att justera sin mentala ljudrepresentation för att förbättra nästa uppspelning. Jonathan Brumberg, doktorand i Guenthers labb, säger att även om varje försök har gått långsamt – det kräver stor ansträngning från Ramseys sida – har resultaten varit lovande. Vid det här laget kan han göra de här vokalljuden ganska bra, säger Brumberg. Vi är nu ganska säkra på att samma sak kan åstadkommas med konsonanter.

Men eftersom det finns fyra gånger så många konsonanter som vokaler kan det ta år för teamet att avkoda alla ljud, för att inte tala om att sätta ihop dem för att känna igen och producera flytande tal. Brumberg säger att teamet kan behöva implantera fler elektroder, i områden som enbart är ägnade åt tungan, läpparna eller munnen, för att få en korrekt bild av mer komplexa ljud som konsonanter.

Elektroden fångar bara upp cirka 56 distinkta neurala signaler, säger Brumberg. Men du måste tänka: det finns miljarder celler i hjärnan med biljoner kopplingar, och vi tar bara prov på en mycket liten del av det som finns där.

Teamet har inga omedelbara planer på att implantera Ramsey med ytterligare elektroder. Men Guenther undersöker också icke-invasiva metoder för att studera talproduktion hos normala frivilliga. Han och Brumberg skannar hjärnan på normala högtalare med hjälp av funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI). När frivilliga utför olika uppgifter, som att namnge bilder och mentalt upprepa olika ljud och ord, lyser aktiva hjärnområden upp som svar.

Guenther och Brumberg planerar att analysera dessa skanningar för vanliga mönster, och nollställa specifika regioner relaterade till vissa ljud, med målet att en dag implantera ytterligare elektroder i dessa regioner. Forskarna säger att avkodning av signaler inom dessa områden kan hjälpa till att översätta tal för personer med störningar som inlåst syndrom och andra former av förlamning.

För patienter med vissa typer av talrelaterade störningar med ursprung i det perifera nervsystemet är detta tillvägagångssätt mycket lovande, säger Vincent gracco , chef för Center for Research on Language, Mind and Brain vid McGill University. Det finns potential att tillhandahålla ett användbart sätt att kommunicera för patienter utan fungerande tal, på sätt som inte har utforskats.

Dölj