O echipă de cercetare condusă de Sergey Stavisky și David Brandman de la Universitatea din California a realizat un studiu clinic prin care un bărbat care suferea de scleroză laterală amiotrofică (SLA) poate comunica prin intermediul unui cip care i-a fost implantat în creier. Detaliile proiectului au fost publicate în revista „Nature Medicine”.
Bărbatul în vârstă de 45 de ani, complet paralizat și fără să poată vorbi din cauza sclerozei laterale amiotrofice (SLA), a reuşit să discute şi să glumească cu cercetătorii. Este practic aceeași voce pe care o avea înainte de a se îmbolnăvi. Vorbele sunt articulate lin şi cursiv, dar cu câteva secunde întârziere faţă de momentul când le-a gândit, relatează La Repubblica. Cuvintele nu ies din gura pacientului, ci dintr-un sintetizator personalizat care le citește de la un computer, care la rândul său transmite informațiile emise de un cip implantat în creierul pacientului și capabil să interpreteze stimulii. În plus acest pacient a avut, de asemenea, ocazia să utilizeze dispozitivul acasă, în viața de zi cu zi, nu numai într-un cadru controlat, cum ar fi un laborator și cu sprijinul unor profesioniști. Bărbatul în vârstă de 45 de ani a folosit dispozitivul aproape zilnic timp de peste 3.800 de ore.
Interfața creier-computer
„Acest articol prezintă un rezultat extrem de interesant”, a comentat Egidio D'Angelo, profesor de fiziologie la Universitatea din Pavia și om de știință la MNESYS, cea mai mare rețea italiană de cercetare a creierului. „Interfețele creier-computer sunt în curs de dezvoltare de peste două decenii și au condus la demonstrarea principiului eficacității lor. Această interfață”, a mai adăugat acesta, „permite comunicarea semnalelor bioelectrice cu dispozitive electronice externe: semnalele sunt colectate de la implanturi de electrozi, de obicei în structuri corticale, și comunicate unui sistem de procesare care permite decodificarea lor. În esență, sistemul este capabil să asocieze o semnificație specifică fiecărui model de semnale bioelectrice. Interfața bioelectronică exploatează, pe de o parte, procesele de plasticitate și adaptare în cadrul circuitelor neuronale, pe de altă parte, algoritmii capabili să decodeze descărcările potențialului de acțiune al neuronilor și, pe de altă parte, procesele de biofeedback care permit subiectului să adapteze semnalele pe care le emite pe baza răspunsurilor decodificate de sistemul extern.”
Teste la domiciliu
Adevărata revoluție a acestui studiu clinic, realizat în cadrul programului BrainGate2, constă tocmai în depăşirea cadrului laboratorului. Până acum, interfețele creier-computer erau considerate instrumente experimentale complexe, utilizabile doar pentru sesiuni scurte sub atenta supraveghere a inginerilor și medicilor, din cauza necesității unei recalibrări constante și anevoioase a software-ului. În cazul acestui pacient, însă, asistența cercetătorului a fost complet eliminată datorită unei modificări a protocolului autorizate de autoritățile de reglementare. Membrii familiei și îngrijitorii au fost instruiți pur și simplu să pornească computerele și să conecteze fizic hardware-ul la scalpul pacientului. Această rutină de douăzeci de minute la domiciliu a deschis ușa către o autonomie zilnică fără precedent, permițând pacientului să utilizeze sistemul timp de o medie de 9,5 ore pe zi, cu vârfuri care ating 19 ore într-o singură zi.
După cum subliniază D'Angelo, continuitatea utilizării obținută la domiciliu reprezintă o adevărată descoperire clinică pentru viitorul pacienților. „Această lucrare demonstrează pentru prima dată că un astfel de sistem poate fi utilizat pentru perioade lungi de timp, asigurând o autonomie reală pentru pacientul implantat. Acest rezultat este foarte important deoarece indică faptul că, în viitor, această tehnologie ar putea fi dezvoltată pe scară largă în reabilitarea pacienților cu deficiențe semnificative de vorbire și motorie.”
Cuvintele
Datele colectate pe parcursul a nouăsprezece luni de utilizare independentă la domiciliu demonstrează un succes științific și uman extraordinar. Pacientul a formulat și a împărtășit 183.060 de propoziții, folosind un total de 1.960.163 de cuvinte exprimate exclusiv prin gândire. Viteza mentală de tastare a atins o medie de 56 de cuvinte pe minut, un ritm incredibil de rapid în comparație cu dispozitivele asistive tradiționale. „În timpul unei conversații vorbite”, a explicat D'Angelo, „putem produce aproximativ 200 de cuvinte pe minut. Prin urmare, o rată de 56 de cuvinte pe minut este un rezultat foarte bun și poate asigura o comunicare eficientă. În plus, precizia sistemului de decodare este foarte mare. Implantul permite o utilizare prelungită, care durează luni întregi, și garantează o stabilitate remarcabilă a relației dintre descărcările neuronale și codurile pe care le reprezintă. În cele din urmă, sistemul poate fi cuplat cu cursoare și mouse-uri pentru a funcționa interactiv cu sistemele de comunicații digitale.”
Tehnologia
Dintr-o perspectivă inginerească, stabilitatea temporală a relației dintre impulsurile neuronale și coduri este susținută de patru micromatrici de siliciu (fiecare cu 64 de electrozi) inserate chirurgical în cortexul motor responsabil de limbaj. Fluxul de impulsuri electrice generate de neuroni este procesat în timp real de algoritmi de ultimă generație bazați pe Transformers, aceeași familie de inteligență artificială care alimentează cele mai moderne modele lingvistice.
Această tehnologie corectează și calibrează constant semnalul în fundal, compensând variațiile naturale ale activității cerebrale fără ca utilizatorul să fie nevoit să-și întrerupă vreodată activitatea. Sintetizatorul vocal de ultimă generație utilizat reprezintă, de asemenea, unul dintre cele mai extraordinare aspecte ale studiului. Acesta nu este doar un simplu player de înregistrări fixe, ci un model sofisticat de inteligență artificială text-to-speech (TTS). Cercetătorii au antrenat algoritmul folosind fișiere audio vechi și fragmente de voce înregistrate de pacient înainte de apariția simptomelor SLA. În acest fel, de fiecare dată când sistemul decodează semnalele cerebrale în text, inteligența artificială generează instantaneu o pistă audio complet nouă, cu semnătura vocală exactă, timbrul și nuanțele naturale ale unui om, restaurându-i identitatea expresivă profundă.
Creierul mouse
În plus, cipul implantat face mai mult decât simpla traducere a gândurilor în text sau vorbire. Cercetătorii au integrat în sistem un al doilea modul algoritmic, o rețea neuronală recursivă (RNN) axată pe imagini motorii. Prin simpla mișcare a mâinii drepte, pacientul este capabil să controleze mouse-ul cerebral, reducând timpul inițial de antrenament la mai puțin de un minut pe zi. Datorită aplicației BG Home control, pacientul a putut combina dictarea mentală cu mișcările cursorului pentru a-și controla computerul personal la 360 de grade. Videoclipurile care însoțesc studiul îl arată pe bărbat navigând pe web, selectând bara de căutare, tastând și dând clic pe hyperlinkuri cu o precizie comparabilă cu cea a unui utilizator obișnuit. Acesta a putut trimite e-mailuri, schimba mesaje cu prietenii și, cel mai important, să mențină un loc de muncă cu normă întreagă, în ciuda imobilității complete.
Flexibilitatea sistemului i-a permis, de asemenea, să se adapteze la schimbările biologice induse de boală. În stadiile incipiente ale studiului, bărbatul a încercat să-și „vocalizeze” gândurile încordând mușchii gâtului, un exercițiu extrem de obositor în stadiile avansate ale SLA. De-a lungul lunilor, pacientul a dezvoltat independent o strategie de „vorbire silențioasă”, limitându-se la imaginarea mișcărilor articulatorii sau la realizarea unor expresii faciale subtile fără a expira aer. Algoritmul de fundal a reușit să intercepteze și să decodeze acest nou model neuronal, reducând drastic oboseala pacientului și crescând spectaculos viteza sa de comunicare.
Scenariile viitoare
Oricât de istoric și incitant este acest lucru, cercetătorii subliniază că o singură poveste de succes nu permite încă să se tragă concluzii clinice universale. Vor fi necesare cercetări suplimentare pe un eșantion mai mare de pacienți pentru a evalua eficacitatea tehnicii la diferite scări. De asemenea, va fi crucial să se lucreze la miniaturizarea serverelor (montate în prezent pe un cărucior mobil greoi) și la dezvoltarea de implanturi complet wireless, care elimină cablurile fizice care ies din scalp. Datele colectate în ultimii doi ani demonstrează, însă, că dialogul stabil și susținut dintre creierul uman și mașină nu mai este o utopie, ci o realitate domestică capabilă să restabilească demnitatea vorbirii și independența celor care credeau că le-au pierdut pentru totdeauna.