Τι θα γινόταν αν ένας άνθρωπος που δεν μπορεί πλέον να μιλήσει ή να κινήσει τα άκρα του μπορούσε να επικοινωνήσει ξανά με λόγια, νεύματα και χειρονομίες; Ερευνητές του UCSF δοκιμάζουν μία τεχνολογία που μετατρέπει εγκεφαλικά σήματα σε ομιλία και κίνηση ενός ψηφιακού avatar, ανοίγοντας έναν νέο δρόμο για την αποκατάσταση της επικοινωνίας.
Γράφει η Αναστασία Καφετζή – Δημοσιογράφος Υγείας
Μία νέα τεχνολογία που συνδέει την εγκεφαλική δραστηριότητα με την ομιλία και την κίνηση δοκιμάστηκε σε δύο ανθρώπους με σοβαρή παράλυση, οι οποίοι δεν μπορούσαν πλέον να επικοινωνήσουν με φυσικό τρόπο.
Η ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Σαν Φρανσίσκο (UCSF) ανέπτυξε ένα σύστημα το οποίο καταγράφει σήματα από τον εγκέφαλο και τα μετατρέπει σε εντολές για ένα ψηφιακό avatar. Ο εικονικός χαρακτήρας μπορεί να παράγει λόγο, ενώ ταυτόχρονα πραγματοποιεί κινήσεις όπως νεύματα και χειρονομίες.
Η καινοτομία έχει ιδιαίτερη σημασία για ανθρώπους που έχουν χάσει τόσο την ικανότητα ομιλίας όσο και τον έλεγχο μεγάλου μέρους του σώματός τους. Στόχος δεν είναι μόνο να μεταφερθεί ένα μήνυμα, αλλά να αποκατασταθεί ένα μεγαλύτερο μέρος της φυσικής ανθρώπινης επικοινωνίας, στην οποία η φωνή συνοδεύεται από εκφράσεις και κινήσεις.
Γιατί οι κινήσεις έχουν σημασία
Στην καθημερινή επικοινωνία, το νόημα μιας φράσης δεν εξαρτάται αποκλειστικά από τις λέξεις. Το βλέμμα, η έκφραση του προσώπου, η κίνηση του κεφαλιού και οι χειρονομίες μπορούν να προσθέσουν πληροφορίες ή ακόμη και να αλλάξουν την ερμηνεία μιας απάντησης.
Αυτό ακριβώς επιχειρεί να αξιοποιήσει η νέα τεχνολογία.
Η Samantha Brosler, επικεφαλής της ερευνητικής προσπάθειας και μεταπτυχιακή ερευνήτρια Βιομηχανικής στο UCSF, επισημαίνει ότι μία λεκτική απάντηση μπορεί να μεταφέρει διαφορετικό μήνυμα ανάλογα με τη συνοδευτική κίνηση. Ένα «ίσως», για παράδειγμα, δεν γίνεται αντιληπτό με τον ίδιο τρόπο όταν συνοδεύεται από ένα νεύμα συμφωνίας και όταν συνοδεύεται από κίνηση άρνησης.
Η δυνατότητα να αναπαράγονται και αυτές οι μη λεκτικές πληροφορίες αποτελεί μία από τις βασικές διαφορές της συγκεκριμένης προσέγγισης.
Μία μεγάλη συστοιχία ηλεκτροδίων στον εγκέφαλο
Για να καταστεί δυνατή η ταυτόχρονη αναγνώριση διαφορετικών προθέσεων, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μία εκτεταμένη διάταξη ηλεκτροδίων υψηλής πυκνότητας.
Η συσκευή τοποθετήθηκε στον αισθητικοκινητικό φλοιό, μία περιοχή του εγκεφάλου που συνδέεται με λειτουργίες οι οποίες σχετίζονται τόσο με την παραγωγή ομιλίας όσο και με τον σχεδιασμό και τον έλεγχο κινήσεων.
Το μέγεθος της διάταξης είναι περίπου αντίστοιχο με ένα iPhone, γεγονός που επέτρεψε στους ερευνητές να συλλέξουν μεγάλο αριθμό νευρικών σημάτων από την περιοχή ενδιαφέροντος.
Η τεχνολογία δοκιμάστηκε σε δύο ασθενείς. Ο ένας είχε υποστεί εγκεφαλικό επεισόδιο και ο άλλος αντιμετώπιζε αμυοτροφική πλευρική σκλήρυνση (ALS). Και οι δύο είχαν πολύ σοβαρού βαθμού κινητική αναπηρία και δεν μπορούσαν να παράγουν κατανοητό λόγο.
Πώς «εκπαιδεύτηκε» το σύστημα
Οι ερευνητές ζήτησαν από τους συμμετέχοντες να επιχειρήσουν συγκεκριμένες λέξεις και φράσεις, ακόμη και αν οι ίδιοι δεν μπορούσαν να τις προφέρουν.
Παράλληλα, τους ζητήθηκε να επιχειρήσουν διαφορετικές κινήσεις, μεταξύ των οποίων χαιρετισμούς με το χέρι, χειροκρότημα και νεύματα με το κεφάλι. Σε ορισμένες δοκιμές η πρόθεση για κίνηση και η πρόθεση για ομιλία εξετάστηκαν ξεχωριστά, ενώ σε άλλες εκδηλώνονταν ταυτόχρονα.
Κάθε προσπάθεια συνοδευόταν από καταγραφή της εγκεφαλικής δραστηριότητας. Τα δεδομένα αποτέλεσαν στη συνέχεια το υλικό εκπαίδευσης αλγορίθμων μηχανικής μάθησης.
Οι αλγόριθμοι αναζητούσαν μοτίβα στα νευρικά σήματα, ώστε να μπορούν να υπολογίσουν ποια λεκτική έκφραση ή ποια κίνηση επιχειρούσε να εκτελέσει ο ασθενής.
Το τελικό αποτέλεσμα εμφανιζόταν μέσω ενός ψηφιακού χαρακτήρα που είχε σχεδιαστεί ξεχωριστά για κάθε συμμετέχοντα. Το avatar μπορούσε να «μιλά» και να κινείται, μεταφέροντας με αυτόν τον τρόπο την πρόθεση που είχε αποκωδικοποιήσει το σύστημα.
Οι επιδόσεις της τεχνολογίας
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το σύστημα μπορούσε να αναγνωρίσει με αξιοσημείωτη ακρίβεια τόσο τις κινητικές όσο και τις λεκτικές προθέσεις.
Στον συμμετέχοντα που είχε υποστεί εγκεφαλικό, η αναγνώριση των κινήσεων έφτασε το 88%, ενώ για την ομιλία καταγράφηκε ποσοστό 84%.
Στον ασθενή με ALS, η αντίστοιχη επίδοση ήταν 66% για τις κινήσεις και 70% για την ομιλία.
Οι ερευνητές υπολόγισαν ότι ένα σύστημα που θα πραγματοποιούσε προβλέψεις χωρίς την κατάλληλη εκπαίδευση θα είχε πιθανότητα επιτυχίας μικρότερη του 9%. Η διαφορά αυτή δείχνει ότι τα εγκεφαλικά σήματα περιείχαν αξιοποιήσιμη πληροφορία για την πρόθεση των συμμετεχόντων.
Τα ευρήματα της μελέτης δημοσιεύθηκαν στο Nature Neuroscience.
Από το avatar στην πραγματική αποκατάσταση
Η σημερινή εφαρμογή παραμένει ερευνητική και αφορά περιορισμένο αριθμό λέξεων και κινήσεων. Η ομάδα του UCSF θέλει πλέον να διευρύνει σημαντικά τις δυνατότητες του συστήματος.
Στο επίκεντρο της επόμενης φάσης βρίσκεται η αναγνώριση περισσότερων λέξεων, μεγαλύτερου αριθμού εκφράσεων και πολύ περισσότερων κινήσεων από διαφορετικά μέρη του σώματος.
Ο μακροπρόθεσμος στόχος είναι ακόμη πιο φιλόδοξος: η εγκεφαλική δραστηριότητα να μπορεί να μετατρέπεται σε συνθετική ανθρώπινη φωνή και, σε ασθενείς που διατηρούν επαρκή λειτουργία των μυών και των αρθρώσεων, να χρησιμοποιείται για τον έλεγχο πραγματικών κινήσεων.
Εάν η προσέγγιση εξελιχθεί με επιτυχία, οι εγκεφαλικές διεπαφές ενδέχεται στο μέλλον να προσφέρουν σε ανθρώπους με βαριές κινητικές αναπηρίες έναν πιο ολοκληρωμένο τρόπο επικοινωνίας, πλησιάζοντας περισσότερο όχι μόνο το τι θέλουν να πουν, αλλά και τον τρόπο με τον οποίο θέλουν να το εκφράσουν.
