Что на уме, то на языке

В США создают уникальный речевой имплантат-ясновидец для людей, которые лишились речи

 В прошлом году «МГ» писала об ожидаемом появлении технологий, способных не только корректировать нарушения высшей нервной деятельности, но и восстанавливать работу органов чувств (см. № 35 от 15.05.2013 – «Электрод на смену скальпелю»). Прогресс в этом направлении, похоже, обгоняет самые смелые прогнозы. В Сан-Франциско начали разработку системы, которая призвана улавливать саму мысль и трансформировать её в звук у людей, лишившихся способности говорить.

Уже в первом приближении число тех, кому такая система может помочь, составляет многие тысячи. Это жертвы различных черепно-мозговых травм, повреждений спинного мозга и полного паралича. Среди них страдающие боковым амиотрофическим склерозом или мотонейронной болезнью (в США её также называют болезнью Лу Герига), когда при сохранении умственной деятельности человек утрачивает владение органами речи. В их числе всемирно известный британский астрофизик-теоретик Стивен Хо-кинг, уже полвека мужественно борющийся с этим недугом. Подобно Хокингу, такие люди могут общаться с окружающими, только полагаясь на звуковой синтезатор, требующий кропотливого ввода данных извне.

Задуманная группой учёных из Калифорнии технология позволит передавать сигналы мозга на синтезатор, активизируя его без помощи внешних устройств. Больше того – заглядывая вперёд, она сулит появление целого спектра разнообразных применений, основанных на непосредственном исполнении мысленных команд.

Во время презентации исследователи во главе с Эдвардом Чан-гом из отделения Калифорнийского университета в Сан-Франциско обнародовали составленную ими с точностью до долей микрона карту участков мозга, заведующих речью, и обрисовали принципы действия предлагаемой системы.

Главную роль, отметил Э.Чанг, имеет не столько её физическая сторона, сколько стоящий за нею набор подробных инструкций по расшифровке электрических импульсов от больших групп нейронов до их преобразования в звук. Для создания таких алгоритмов Центр биоинженерии и нейропротезирования, одним из директоров которого он является, обратился к исследованиям на стыке информатики, нейрохирургии и лингвистики.

– Мы действуем на самом ответственном участке науки внутри человеческого мозга, – говорит Чанг. – При всей сложности этой сферы синтезирование речи не столь уж хитроумное дело, как может казаться. Импульсы, транслируемые мозгом в наш артикуляционный аппарат, самой природой предназначены для управления органами речи. Наладить взаимодействие этих сигналов с искусственным физическим устройством голосовым протезом представляет собой более посильную задачу, чем понять, что хочет выразить человек.

По словам соавтора проекта профессора нейролингвистики Киса Джонсона, ему с Чангом предстояло найти способ улавливать когнитивное содержание ещё неозвученной речи. Это на порядок повышает требования к восприимчивости технологии по сравнению с уже достигнутым уровнем.

– Произнесение самой простой фразы для наших органов речи подобно выполнению гимнастом упражнения из олимпийской программы, – объясняет Джонсон. – Подобно тому как его выступление предполагает идеальную синхронность и контроль над мышцами в каждый отдельный момент, промедление в долю секунды при подаче сигнала на язык или гортань может быть решающим для правильной артикуляции и передачи сообщения. Чтобы уловить предшествующую этому деятельность нейронов, нужны ещё большая точность и скорость.

Определение участков мозга, где расположены соответствующие нервные клетки, составило только часть задачи. Затем Чанг с коллегами – также впервые в мире — построили модели нейронной активности в этих зонах. Появился каталог того, что получило название «динамические шаблоны высшего порядка». Они показывают, где, с какой интенсивностью и в какой последовательности включается каждая группа нейронов, участвующая в формировании не оформленной в звук мысли. Это открывает путь к считыванию слов непосредственно с клеток мозга, считают учёные.

– Речь есть один из самых определяющих признаков человека, – говорит Чанг. – Однако до сих пор у нас не было средств установить, каким образом она оркестриру-ется. Функциональная магнитно-резонансная томография и другие бесконтактные методы визуализации открыли нам многое о других частях и функциях мозга, но не давали надёжных инструментов для точной фиксации и измерения активности клеток, отвечающей за генерирование слов.

Опыты на животных не годятся по определению, поскольку человек единственный биологический вид, наделённый даром речи. Чтобы проникнуть в механизм её формирования, группе во главе с Чангом было необходимо проводить исследования на живых людях. Помогла его изначальная специализация в нейрохирургии, в частности в лечении эпилепсии.

В своей клинике Чанг привычно оперирует на открытом мозге, когда удаляется часть черепа пациента в поисках очагов зарождения эпилептических припадков и для оценки судорожной готовности мозга. На обнажённую поверхность коры помещают тончайшие платы с плотно посаженными сверхчувствительными электродами. Эти сенсоры замеряют изменения в возбуждении расположенных под ним нейронов.

Платы оставляют на месте до 2 недель и удаляют вместе с выявленной дефектной тканью, служащей источником судорог. Команда Чанга, заручившись безусловным согласием пациентов о сотрудничестве, стала с их помощью попутно собирать информацию о функциях мозга, связанных с речевыми процессами.

В числе прочего исследователи регистрировали активность нейронов у 12 пациентов при попытке произнесения ими простейших слогов. Кристофер Бушар, один из сотрудников лаборатории, применил к собранному массиву данных специальный математический метод, рассчитанный на выявление структуры высокоразмерных, сложных систем.

– Постепенно составилась картина происходящего в соответствующих отделах коры, – рассказывает он. – Кропотливый анализ позволил, по сути, расшифровывать сигналы мозга у говорящего человека. А значит, появилась возможность обращать их в механизированную речь при помощи электродов, вживлённых в мозг. Они будут опознавать заданные алгоритмы и пересылать их на внешний процессор для конвертации в слова и фразы.
Брэдли Войтек, нейролог из Университета Калифорнии в Сан-Диего, полагает, что читающие речь интерфейсы, основанные на прямом контакте между мозгом и техникой, могут быть встроены и использоваться в качестве контрольного компонента во многих системах, помимо голосовых синтезаторов.

– Речь отличается большей определённостью и завершённостью, чем мысль. Мы гораздо лучше управляем тем, что произносим – даже разговаривая мысленно сами с собой – чем тем, что думаем. Это открывает необычайные перспективы. Вы можете, например, отключить звонок на своём сотовом телефоне, находясь в театре, просто отдав ему мысленную команду. Или составить в голове и таким же образом молча продиктовать сообщение по электронной почте.

Ещё более впечатляют возможности использования технологии в комбинации с подоспевшим новым поколением компьютерных программ и сверхпроизводительных микропроцессоров. Компания Google, например, уже сделала реальностью автомобиль, не требующий водителя и целиком управляемый с помощью программы-навигатора и системы датчиков информации об окружающем пространстве.

- Соедините эту технологию с нашей и вы сможете мысленно приказать своей машине заехать и подобрать вас у театра после спектакля или где угодно, - говорит Войтек. - Если хотите, получается нечто вроде симбиоза телепатии и телекинеза.

Исследователям ещё предстоит доработать технологию, чтобы довести её до совершенства и исключить любые огрехи. Необходимо также обеспечить дополнительное финансирование, после чего они планируют начать клинические испытания и в случае успеха выйти с нею на рынок.

Есть, правда, одна незадача. Даже если конструируемая командой Чанга изначальная версия системы будет апробирована и одобрена через пару лет, как они рассчитывают, её использование потребует серьёзной хирургической операции на мозге. Это может отпугнуть даже самых отважных и нуждающихся пациентов. Для того чтобы такая технология была воспринята и вошла в повседневность, должно произойти одно из двух: чтобы операции по имплантированию стали значительно безопаснее и дешевле, или внешние воспринимающие устройства стали гораздо более мощными.

Использование же многочисленных приложений к ней может быть дополнительным бонусом. Главное, что она обещает безмерно облегчить участь людей, утративших дар голоса. Право же, чтобы сознавать это, не требуется быть ясновидцем.

Том ЗАЙЦЕВ, журналист.
Сан-Франциско.