En talsyntes direkt till hjärnan

Kan en person som är förlamad och oförmögen att tala, som fysikern Stephen Hawking, använda ett hjärnimplantat för att föra en konversation?

Mind recorder: Ett ark med elektroder fångar upp elektrisk aktivitet från hjärnans yta.

Det är målet för en växande forskningssatsning vid amerikanska universitet, som under de senaste fem åren har bevisat att inspelningsenheter placerade under skallen kan fånga hjärnaktivitet som är förknippad med tal.

Medan resultaten är preliminära säger Edward Chang, en neurokirurg vid University of California, San Francisco, att han arbetar för att bygga ett trådlöst hjärn-maskin-gränssnitt som kan översätta hjärnsignaler direkt till hörbart tal med hjälp av en röstsyntes.

Ansträngningen att skapa en talprotetik bygger på framgång vid experiment där förlamade frivilliga har använt hjärnimplantat för att manipulera robotiska lemmar med hjälp av sina tankar (se Tankeexperimentet ). Den tekniken fungerar eftersom forskare kan grovt tolka avfyrningen av neuroner inuti hjärnans motoriska cortex och kartlägga den till arm- eller benrörelser.

Changs team försöker nu göra samma sak för tal. Det är en svårare uppgift, delvis för att komplext språk är unikt för människor och tekniken inte lätt kan testas på djur.

På UCSF har Chang genomfört talexperiment i samband med hjärnoperationer han utför på patienter med epilepsi. Ett ark med elektroder placerat under patientens skallar registrerar elektrisk aktivitet från hjärnans yta. Patienter bär enheten, känd som en elektrokortikografi array, i flera dagar så att läkare kan lokalisera den exakta källan till anfall.

Chang har utnyttjat möjligheten att studera hjärnans aktivitet när dessa patienter talar eller lyssnar på tal. I en papper i Natur förra året beskrev han och hans kollegor hur de använde elektroduppsättningen för att kartlägga mönster av elektrisk aktivitet i ett område av hjärnan som kallas ventral sensorisk motorisk cortex när försökspersoner uttalade ljud som bah, dee och goo.

Det finns flera hjärnregioner involverade i vokalisering, men vi tror att [denna] är viktig för den inlärda, frivilliga kontrollen av tal, säger Chang.

Tanken är att registrera den elektriska aktiviteten i den motoriska cortex som orsakar talrelaterade rörelser av läppar, tunga och stämband. Genom att matematiskt analysera dessa mönster, säger Chang, visade hans team att många viktiga fonetiska egenskaper kan upptäckas.

En av de mest skrämmande konsekvenserna av sjukdomar som ALS är att när förlamning sprider sig förlorar människor inte bara förmågan att röra sig, utan också talförmågan. Vissa ALS-patienter använder enheter som använder sig av kvarvarande rörelse för att kommunicera. I Hawkings fall använder han programvara som låter honom stava ord mycket långsamt genom att rycka på kinden . Andra patienter använder eyetrackers för att styra en datormus.

Idén att använda ett hjärna-maskin-gränssnitt för att uppnå nära-konversationstal har föreslagits tidigare, framför allt av Neurala signaler , ett företag som sedan 1980-talet har testat teknik som använder en enda elektrod för att spela in direkt från hjärnan hos personer med inlåst syndrom. Under 2009 beskrev företaget ansträngningar för att avkoda tal från en 25-årig förlamad man som inte kan röra sig eller tala alls (se En protes för tal).

Annan studie , publicerad i år av Marc slutzky vid Northwestern University, gjorde ett försök att avkoda signaler från den motoriska cortexen när patienter läste högt ord som innehåller alla de 39 engelska fonem (konsonant- och vokalljud som utgör tal). Teamet identifierade fonem med en genomsnittlig noggrannhet på 36 procent. Studien använde samma typer av ytelektroder som Chang använde.

Slutzky säger att även om den noggrannheten kan verka låg, uppnåddes den med ett relativt litet urval av ord som talades under en begränsad tid. Vi räknar med att uppnå mycket bättre avkodning i framtiden, säger han. Taligenkänningsprogram kan också hjälpa till att gissa vilka ord människor försöker säga, säger forskare.

Dölj