O femeie paralizata poate vorbi din nou, gratie unei interfete creier-avatar

Cercetatorii californieni au dezvoltat interfete creier-computer (BCI) care traduc semnalele cerebrale in cuvinte, permitand vorbirea mai rapida pentru cei care si-au pierdut capacitatea de a vorbi. Folosind o combinatie de implanturi cerebrale si algoritmi, sistemele au obtinut intre 62 si 78 de cuvinte pe minut. In ciuda limitarilor actuale, cum ar fi interventiile chirurgicale invazive si ratele ridicate de eroare, progresele precum BCI-urile wireless si o mai buna inteligenta artificiala promit solutii de comunicare imbunatatite pentru persoanele afectate, potrivit Big Think.

Cercetatorii din California au prezentat doua noi interfete creier-computer (BCI) care traduc semnalele cerebrale in cuvinte. La doua persoane care nu mai pot vorbi singure, dispozitivele au permis „vorbirea” la viteze de pana la patru ori mai mari decat orice dispozitiv anterior.

„Acum este posibil sa ne imaginam un viitor in care putem reda conversatia fluida unei persoane cu paralizie, permitandu-i sa spuna liber tot ceea ce vrea sa spuna, cu o precizie suficient de mare pentru a fi inteleasa in mod fiabil”, a declarat Francis Willett, care este coautor al unui studiu despre unul dintre dispozitive.

Provocarea: Leziunile cerebrale, tulburarile neurologice, accidentele vasculare cerebrale si alte probleme de sanatate au privat nenumarate persoane de capacitatea de a vorbi – chiar daca inteleg limbajul si stiu ce vor sa spuna, corpul lor pur si simplu nu coopereaza.

Pat Bennett este unul dintre acestia.

Batrana de 68 de ani a fost diagnosticata cu scleroza laterala amiotrofica (ALS) in urma cu aproximativ un deceniu si, pe masura ce boala a progresat, si-a pierdut capacitatea de a misca muschii necesari pentru a produce un discurs descifrabil. Ea inca mai poate tasta cu degetele, dar procesul devine din ce in ce mai dificil.

Ann Johnson este o alta.

In 2005, a suferit un accident vascular cerebral care a lasat-o complet paralizata. Acum, in varsta de 47 de ani, ea poate face mici miscari ale capului si ale unor parti ale fetei, dar inca nu poate vorbi. Ea foloseste un dispozitiv de asistenta pentru a silabisi cuvintele pe care vrea sa le rosteasca, la o viteza de doar 14 cuvinte pe minut (wpm), dar este mult mai lent decat viteza medie de vorbire de 160 wpm.

Ce este nou? Bennett si Johnson si-au recapatat acum abilitatile de a „vorbi” la viteze medii de 60 pana la 80 wpm datorita noilor BCI-uri de vorbire, care folosesc o combinatie de implanturi cerebrale si algoritmi de calculator instruiti pentru a traduce gandurile in text.

Recordul anterior pentru vorbire cu un BCI era de doar 18 wpm.

Sistemul lui Bennett a fost dezvoltat de o echipa de la Universitatea Stanford, in timp ce sistemul lui Johnson a fost realizat de cercetatori de la UC San Francisco. Studiul de la Stanford a fost partajat anterior pe serverul bioRXiv, dar ambele grupuri au publicat lucrari despre dispozitivele lor in revista Nature in 23 august.

Cum functioneaza: In 2022, Bennett a suferit o interventie chirurgicala pentru a i se implanta patru senzori in stratul cel mai exterior al creierului, in zone cunoscute ca avand un rol in vorbire. Firele de aur care pleaca de la implanturile cerebrale se conecteaza la un port din craniul ei.

Dupa ce a conectat portul la un computer, ea a petrecut aproximativ 100 de ore – pe parcursul a 25 de sesiuni – incercand sa repete propozitii dintr-un set mare de date.

Acum, cand Bennett incearca sa vorbeasca, sistemul trimite cea mai buna estimare a fonemelor la care se gandeste la un model de limbaj, care prezice cuvintele si le afiseaza pe un ecran.

„Acest sistem este antrenat sa stie ce cuvinte ar trebui sa vina inaintea altora si ce foneme formeaza ce cuvinte”, a spus Willett. „Daca unele foneme au fost interpretate gresit, poate totusi sa faca o presupunere buna”.

Folosind sistemul, Bennett poate „vorbi” cu o viteza medie de 62 de cuvinte pe minut. Atunci cand este limitat la un vocabular de doar 50 de cuvinte, BCI-ul de vorbire are o rata de eroare de 9,1%. Cand vocabularul este extins la 125.000 de cuvinte, rata este de 23,8%, ceea ce inseamna ca aproximativ unul din patru cuvinte este gresit.

Acest procent pare ridicat, dar este, de asemenea, un pas urias inainte. BCI-ul care detinea anterior recordul de viteza avea o rata medie de eroare de 25% pe un vocabular de 50 de cuvinte.

Intre timp, echipa lui Johnson a plasat doar un singur senzor pe suprafata creierului ei, o procedura mai putin invaziva, dar care continea aproximativ acelasi numar total de electrozi ca si cei patru senzori folositi de grupul de la Stanford.

Apoi, ea a petrecut saptamani intregi repetand fraze dintr-un set de date de 1.024 de cuvinte pentru a-si antrena algoritmul sa prezica care dintre cele 39 de foneme englezesti pe care incerca sa le rosteasca. La finalul antrenamentului, sistemul a putut prezice cuvintele din setul de date pe care incerca sa le rosteasca la o viteza medie de 78 wpm, cu o rata de eroare de 25,5%.

Totusi, in loc sa se limiteze la afisarea cuvintelor sub forma de text pe un ecran, echipa UCSF a facut un pas mai departe cu BCI-ul de vorbire, asociindu-l cu un avatar digital al fetei lui Johnson si cu o voce sintetica antrenata sa sune exact ca ea.

Pentru a antrena avatarul sa faca expresiile faciale potrivite pentru Johnson, cercetatorii au inregistrat activitatea cerebrala a acesteia in timp ce incerca sa faca expresiile, iar si iar.

Pentru a recrea vocea lui Johnson, ei au alimentat o IA cu o inregistrare a discursului ei la nunta sa, care a avut loc cu doar cateva luni inainte de accidentul vascular cerebral care i-a schimbat viata.

„Cand Ann a folosit pentru prima data acest sistem pentru a vorbi si a misca fata avatarului in tandem, am stiut ca va fi ceva care va avea un impact real”, a declarat cercetatorul Kaylo Littlejohn.

Privind inainte: Atat Bennett, cat si Johnson au fost nevoiti sa se supuna unei interventii chirurgicale riscante pe creier pentru a le fi implantati senzorii si, din pacate, in timp, este posibil ca tesutul cicatricial care se formeaza in jurul implanturilor cerebrale sa inceapa sa interfereze cu semnalele cerebrale.

De asemenea, ratele de eroare sunt inca relativ ridicate, iar ambele sisteme sunt utilizabile doar in laborator si necesita multe ore de antrenament.

Dar sunt in curs de dezvoltare BCI-uri fara fir si implanturi cerebrale care nu produc cicatrici sau necesita proceduri invazive, iar inteligenta artificiala care alimenteaza BCI-urile de vorbire se imbunatateste progresiv, ceea ce ar putea duce la rate de eroare mai mici si la timpi de instruire mai rapizi.

In viitor, nu este greu de imaginat ca aceste tehnologii, combinate cu avatarurile digitale si vocile sintetice imbunatatite, ar putea ajuta nenumarate persoane sa comunice fara efort si in mod expresiv, asa cum o faceau inainte ca boala sau ranile sa le rapeasca vocea.