Een spraaksynthesizer rechtstreeks naar de hersenen

Kan iemand die verlamd is en niet kan praten, zoals natuurkundige Stephen Hawking, een hersenimplantaat gebruiken om een ​​gesprek te voeren?

Mindrecorder: Een vel elektroden pikt elektrische activiteit op van het oppervlak van de hersenen.

Dat is het doel van een groeiende onderzoeksinspanning aan Amerikaanse universiteiten, die de afgelopen vijf jaar hebben bewezen dat opnameapparaten die onder de schedel zijn geplaatst, hersenactiviteit kunnen vastleggen die verband houdt met spreken.

Hoewel de resultaten voorlopig zijn, zegt Edward Chang, een neurochirurg aan de Universiteit van Californië, San Francisco, dat hij werkt aan het bouwen van een draadloze brein-machine-interface die hersensignalen rechtstreeks in hoorbare spraak kan vertalen met behulp van een spraaksynthesizer.

De poging om een ​​spraakprothese te maken bouwt voort op het succes van experimenten waarbij verlamde vrijwilligers hersenimplantaten hebben gebruikt om robotledematen te manipuleren met behulp van hun gedachten (zie Het gedachte-experiment). Die technologie werkt omdat wetenschappers in staat zijn om het afvuren van neuronen in de motorische cortex van de hersenen ruwweg te interpreteren en in kaart te brengen op arm- of beenbewegingen.

Het team van Chang probeert nu hetzelfde te doen voor spraak. Het is een lastiger taak, deels omdat complexe taal uniek is voor mensen en de technologie niet gemakkelijk op dieren kan worden getest.

Bij UCSF heeft Chang spraakexperimenten uitgevoerd in verband met hersenoperaties die hij uitvoert bij patiënten met epilepsie. Een vel elektroden dat onder de schedels van de patiënt is geplaatst, registreert elektrische activiteit vanaf het oppervlak van de hersenen. Patiënten dragen het apparaat, bekend als een elektrocorticografie-array, enkele dagen zodat artsen de exacte bron van aanvallen kunnen lokaliseren.

Chang heeft van de gelegenheid gebruik gemaakt om hersenactiviteit te bestuderen terwijl deze patiënten spreken of luisteren naar spraak. In een papier in Natuur vorig jaar beschreven hij en zijn collega's hoe ze de elektrode-array gebruikten om patronen van elektrische activiteit in kaart te brengen in een gebied van de hersenen dat de ventrale sensorische motorische cortex wordt genoemd, terwijl proefpersonen geluiden uitspraken als bah, dee en goo.

Er zijn verschillende hersengebieden betrokken bij vocalisatie, maar we geloven dat [deze] belangrijk is voor de aangeleerde, vrijwillige controle van spraak, zegt Chang.

Het idee is om de elektrische activiteit in de motorische cortex vast te leggen die spraakgerelateerde bewegingen van de lippen, tong en stembanden veroorzaakt. Door deze patronen wiskundig te analyseren, zegt Chang, heeft zijn team aangetoond dat veel belangrijke fonetische kenmerken kunnen worden gedetecteerd.

Een van de meest angstaanjagende gevolgen van ziekten zoals ALS is dat naarmate de verlamming zich uitbreidt, mensen niet alleen het vermogen om te bewegen verliezen, maar ook het spraakvermogen. Sommige ALS-patiënten gebruiken apparaten die gebruik maken van restbeweging om te communiceren. In het geval van Hawking gebruikt hij software waarmee hij heel langzaam woorden kan spellen door met zijn wang te trillen . Andere patiënten gebruiken eyetrackers om een ​​computermuis te bedienen.

Het idee om een ​​brein-machine-interface te gebruiken om bijna-converserende spraak te bereiken, is eerder voorgesteld, met name door Neurale signalen , een bedrijf dat sinds de jaren tachtig technologie test die een enkele elektrode gebruikt om rechtstreeks vanuit de hersenen van mensen met het locked-in-syndroom op te nemen. In 2009 beschreef het bedrijf pogingen om spraak te decoderen van a 25-jarige verlamde man die helemaal niet kan bewegen of spreken (zie Een prothese voor spraak).

Een ander studie , dit jaar gepubliceerd door Marc slutzky aan de Northwestern University, een poging deed om signalen van de motorische cortex te decoderen terwijl patiënten woorden hardop voorleest die alle 39 Engelse fonemen bevatten (medeklinkers en klinkers waaruit spraak bestaat). Het team identificeerde fonemen met een gemiddelde nauwkeurigheid van 36 procent. De studie gebruikte dezelfde soorten oppervlakte-elektroden die Chang gebruikte.

Slutzky zegt dat hoewel die nauwkeurigheid laag lijkt, het werd bereikt met een relatief kleine steekproef van gesproken woorden in een beperkte tijd. We verwachten in de toekomst een veel betere decodering te bereiken, zegt hij. Spraakherkenningssoftware kan ook helpen raden welke woorden mensen proberen te zeggen, zeggen wetenschappers.

zich verstoppen