ابتكار زرعة دماغية صغيرة تترجم إشارات الدماغ إلى كلام

بينما نتحدث، تقوم أدمغتنا بتصميم رقصة معقدة من العضلات في أفواهنا وحناجرنا لتشكيل الأصوات التي تشكل الكلمات، وينعكس هذا الأداء المعقد في الإشارات الكهربائية المرسلة إلى عضلات الكلام.

إنجاز جديد

وفي إنجاز جديد، قام العلماء الآن بحشر مجموعة ضخمة من أجهزة الاستشعار الصغيرة في مساحة لا تزيد عن طابع بريدي، لقراءة هذا المزيج المعقد من الإشارات الكهربائية، من أجل التنبؤ بالأصوات التي يحاول الشخص إصدارها.

وبحسب ما نُشر في مجلة «Nature Communications»، يفتح «الكلام الاصطناعي» الباب أمام مستقبل يستطيع فيه الأشخاص غير القادرين على الكلام بسبب حالات عصبية التواصل من خلال الفكر.

قد يكون رد فعلك الأولي هو افتراض أنه يقرأ الأفكار، وبشكل أكثر دقة، تكتشف المستشعرات العضلات التي نريد تحريكها في الشفاه واللسان والفك والحنجرة.

وقال المؤلف المشارك، عالم الأعصاب جريجوري كوجان من جامعة ديوك: «هناك العديد من المرضى الذين يعانون من اضطرابات حركية منهكة، مثل التصلب الجانبي الضموري (ALS) أو المتلازمة المنغلقة، التي يمكن أن تضعف قدرتهم على التحدث، لكن الأدوات الحالية المتاحة للسماح لهم بالتواصل بطيئة ومرهقة للغاية بشكل عام».

تقوم تقنية حديثة مماثلة بفك تشفير الكلام بحوالي نصف متوسط ​​معدل التحدث.

ويعتقد الفريق أن التكنولوجيا الخاصة بهم يجب أن تعمل على تحسين التأخير لأنها تناسب المزيد من الأقطاب الكهربائية في مجموعة صغيرة لتسجيل إشارات أكثر دقة، بالرغم من أنه يجب القيام بهذا العمل قبل أن يصبح الجهاز الاصطناعي للكلام متاحًا للجمهور.

وقال جوناثان فيفنتي، المؤلف المشارك ومهندس الطب الحيوي بجامعة ديوك: «نحن في مرحلة لا يزال فيها الكلام أبطأ بكثير من الكلام الطبيعي، ولكن يمكنك رؤية المسار الذي قد تتمكن من الوصول إليه».

قام الباحثون ببناء مجموعة الأقطاب الكهربائية الخاصة بهم على بلاستيك مرن فائق النحافة من الدرجة الطبية، مع وجود أقطاب كهربائية متباعدة أقل من 2 ملم يمكنها اكتشاف إشارات محددة حتى من الخلايا العصبية القريبة جدا من بعضها البعض.

ولاختبار مدى فائدة هذه التسجيلات الدماغية الصغيرة الحجم في فك تشفير الكلام، قاموا بزراعة أجهزتهم مؤقتًا في 4 مرضى لا يعانون من ضعف في النطق.

اغتنموا الفرصة بينما كان المرضى يخضعون لعملية جراحية، 3 منهم لاضطرابات الحركة وواحدة لإزالة ورم، كان عليهم إجراء العملية بسرعة.

وقال كوجان: «أحب مقارنتها بطاقم ناسكار، لا نريد إضافة أي وقت إضافي إلى إجراءات التشغيل، لذلك كان علينا الدخول والخروج في غضون 15 دقيقة».

وأضاف انه «بمجرد أن قال الجراح والفريق الطبي انطلق، سارعنا إلى العمل وقام المريض بالمهمة».

في أثناء زرع المصفوفة الصغيرة، تمكن الفريق من تسجيل النشاط في القشرة الحركية للكلام في الدماغ والتي ترسل إشارات إلى عضلات الكلام بينما كان المرضى يكررون 52 كلمة لا معنى لها.

تشتمل «اللاكلمات» على 9 أصوات مختلفة، وهي أصغر وحدات الصوت التي تنشئ الكلمات المنطوقة.

ضبط ديناميكي

أظهرت التسجيلات أن المقاطع الصوتية تثير أنماطًا مختلفة من إطلاق الإشارات، ولاحظوا أن أنماط الإطلاق هذه تتداخل أحيانًا مع بعضها البعض، تمامًا مثل الطريقة التي يمزج بها الموسيقيون في الأوركسترا نغماتهم الموسيقية.

يشير هذا إلى أن أدمغتنا تضبط كلامنا ديناميكيا في الوقت الفعلي أثناء إصدار الأصوات.

استخدم مهندس الطب الحيوي بجامعة ديوك، سوسندراكومار دورايفيل، خوارزمية التعلم الآلي لتقييم المعلومات المسجلة لتحديد مدى قدرة نشاط الدماغ على التنبؤ بالكلام المستقبلي.

وتم التنبؤ ببعض الأصوات بدقة تصل إلى 84%، خاصة إذا كان الصوت يبدأ بكلمة غير كلمة، مثل "g" في كلمة gak.

تباينت الدقة وانخفضت في المواقف الأكثر تعقيدًا، مثل المقاطع الصوتية في منتصف ونهاية الكلمات غير الكلمات، وبشكل عام كان معدل دقة وحدة فك التشفير يبلغ 40 %.

يعتمد هذا على عينة مدتها 90 ثانية فقط من البيانات من كل مشارك، وهو أمر مثير للإعجاب بالنظر إلى أن التكنولوجيا الحالية تحتاج إلى ساعات من البيانات لفك تشفيرها.