211service.com
Een prothese voor spraak
Al meer dan acht jaar zit Erik Ramsey gevangen in zijn eigen lichaam. Op 16-jarige leeftijd liep Ramsey een hersenstamverwonding op na een auto-ongeluk, waardoor hij een aandoening kreeg die bekend staat als het locked-in-syndroom. In tegenstelling tot andere vormen van verlamming, kunnen opgesloten patiënten nog steeds sensaties voelen, maar ze kunnen niet zelfstandig bewegen, en ze zijn niet in staat om de complexe stemspieren te beheersen die nodig zijn om te spreken. In het geval van Ramsey zijn zijn ogen zijn enige communicatiemiddel: hemelwaarts voor ja, naar beneden voor nee.
Uitspreken: Wetenschappers van de Boston University ontwerpen een spraakprothese die op een dag gedachten kan vertalen in gesproken woord voor mensen met bepaalde spraakgerelateerde stoornissen. Het team scande de hersenen van een verlamde patiënt en ontdekte dat, binnen het motorische gebied van de hersenen dat betrokken is bij spraak (tussen de rode en gele lijnen), bepaalde gebieden oplichten (oranje) volgens verschillende geluiden die de patiënt mentaal uitspreekt.
Nu ontwikkelen onderzoekers van de Boston University hersenlezende computersoftware die in wezen gedachten in spraak vertaalt. In combinatie met een spraaksynthesizer heeft een dergelijke interfacetechnologie tussen hersenmachines Ramsey in staat gesteld om klinkers in realtime te vocaliseren - een enorme stap in de richting van het herstellen van volledige spraak voor Ramsey en andere patiënten met verlammende spraakstoornissen. De onderzoekers presenteren hun werk op de jaarlijkse Acoustical Society of America vergadering in Parijs deze week.
De vraag is of we genoeg informatie kunnen krijgen om verstaanbare spraak te produceren. vraagt Philip Kennedy van Neurale signalen , een ontwikkelaar van hersencomputerinterfaces, gevestigd in Atlanta. Ik denk dat er op dit moment een goede kans is.
Kennedy en Frank Guenther , een universitair hoofddocent aan de afdeling Cognitieve en Neurale Systemen van de Boston University, hebben de afgelopen drie jaar activiteit in Ramsey's hersenen gedecodeerd via een permanente elektrode die onder het oppervlak van zijn hersenen is geïmplanteerd, in een gebied dat de beweging van de mond, lippen, en kaak. Tijdens een typische sessie vraagt het team Ramsey om mentaal een bepaald geluid te zeggen, zoals ooh of ah. Terwijl hij het geluid in zijn hoofd herhaalt, pikt de elektrode lokale zenuwsignalen op, die draadloos naar een computer worden gestuurd. De software analyseert vervolgens die signalen op gemeenschappelijke patronen die hoogstwaarschijnlijk dat specifieke geluid aangeven.
De software is ontworpen om neurale activiteit te vertalen in zogenaamde formantfrequenties, de resonantiefrequenties van het vocale kanaal. Als je mond bijvoorbeeld wijd open staat en je tong tegen de basis van de mond wordt gedrukt, wordt er een bepaalde geluidsfrequentie gecreëerd terwijl de lucht er doorheen stroomt, gebaseerd op de positie van de vocale musculatuur. Een andere spierpositionering zorgt voor een andere frequentie. Guenther heeft de computer getraind om patronen van neurale signalen te herkennen die verband houden met specifieke bewegingen van de mond, kaak en lippen. Vervolgens vertaalde hij deze signalen in de bijbehorende geluidsfrequenties en programmeerde een geluidssynthesizer om deze frequenties via een luidspreker in audiovorm terug te projecteren.
Tot dusver hebben Guenther en Kennedy de synthesizer geprogrammeerd om geluiden af te spelen binnen 50 milliseconden - dat wil zeggen, bijna onmiddellijk - vanaf het moment dat Ramsey ze voor het eerst in zijn hoofd uitte. Dankzij deze functie voor het afspelen van audio kon Ramsey het uiten van klinkers oefenen, eerst door zijn eerste uitspraak te horen en vervolgens door zijn mentale geluidsweergave aan te passen om het volgende afspelen te verbeteren. Jonathan Brumberg, een promovendus in het laboratorium van Guenther, zegt dat hoewel elk onderzoek traag verloopt - het kost Ramsey veel moeite - de resultaten veelbelovend zijn. Op dit moment kan hij deze klinkers best goed doen, zegt Brumberg. We zijn er nu redelijk zeker van dat hetzelfde kan worden bereikt met medeklinkers.
Omdat er echter vier keer zoveel medeklinkers zijn als klinkers, kan het jaren duren voordat het team alle geluiden heeft gedecodeerd, om nog maar te zwijgen van het aan elkaar rijgen ervan om vloeiende spraak te herkennen en te produceren. Brumberg zegt dat het team mogelijk meer elektroden moet implanteren, in gebieden die uitsluitend zijn gewijd aan de tong, lippen of mond, om een nauwkeurig beeld te krijgen van complexere geluiden zoals medeklinkers.
De elektrode vangt slechts ongeveer 56 verschillende neurale signalen op, zegt Brumberg. Maar je moet bedenken: er zijn miljarden cellen in de hersenen met biljoenen verbindingen, en we nemen slechts een heel klein deel van wat er is.
Het team heeft geen onmiddellijke plannen om Ramsey te implanteren met extra elektroden. Guenther onderzoekt echter ook niet-invasieve methoden om spraakproductie bij normale vrijwilligers te bestuderen. Hij en Brumberg scannen de hersenen van normale luidsprekers met behulp van functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI). Terwijl vrijwilligers verschillende taken uitvoeren, zoals het benoemen van afbeeldingen en het mentaal herhalen van verschillende geluiden en woorden, lichten actieve hersengebieden als reactie op.
Guenther en Brumberg zijn van plan deze scans te analyseren op gemeenschappelijke patronen, waarbij ze zich richten op specifieke regio's die verband houden met bepaalde geluiden, met als doel op een dag extra elektroden in deze regio's te implanteren. De onderzoekers zeggen dat het decoderen van signalen binnen deze gebieden kan helpen bij het vertalen van spraak voor mensen met aandoeningen zoals het locked-in-syndroom en andere vormen van verlamming.
Voor patiënten met bepaalde soorten spraakgerelateerde stoornissen die hun oorsprong vinden in het perifere zenuwstelsel, is deze benadering veelbelovend, zegt vincent gracco , directeur van het Center for Research on Language, Mind and Brain aan de McGill University. Er is het potentieel om een nuttig communicatiemiddel te bieden voor patiënten zonder functionerende spraak, op manieren die nog niet zijn onderzocht.