Парализованного пациента с БАС научили снова говорить: ему вживили чип с интерфейсом мозг-компьютер

Исследователи Калифорнийского университета в Дэвисе представили революционную разработку — интерфейс мозг-компьютер (BCI), который может переводить сигналы мозга в речь с удивительной точностью, достигающей 97%. Эта передовая технология дает луч надежды людям с тяжелыми нарушениями речи, вызванными такими неврологическими заболеваниями, как боковой амиотрофический склероз. Исследование опубликовано в New England Journal of Medicine.

Боковой амиотрофический склероз (БАС), также известный как болезнь Лу Герига, — это дегенеративное неврологическое заболевание, которое постепенно лишает человека способности двигаться, говорить и в конечном итоге дышать. По мере прогрессирования болезни разрушаются нервные клетки, контролирующие произвольные движения мышц, что приводит к полному параличу и потере речи. Неспособность общаться может стать для людей, страдающих этим заболеванием, одним из самых изолирующих и деморализующих факторов.

Но теперь, благодаря инновационной системе BCI, коммуникационные барьеры будут устранены. Она анализирует сигналы мозга, связанные с речью, и преобразует их в текст, который затем озвучивается компьютером. Этот инженерный прорыв был совершен командой из Калифорнийского университета в Дэвисе под руководством нейрохирурга Дэвида Брандмана и нейробиолога Сергея Ставиского.

«Технология BCI помогла человеку с параличом общаться с друзьями и семьей», — говорит Брандман, доцент кафедры неврологической хирургии Калифорнийского университета и руководитель лаборатории нейропротезирования Калифорнийского университета в Дэвисе. — Наша работа представляет собой самый совершенный речевой нейропротез из когда-либо созданных».

Точность и скорость работы системы отличают ее от предыдущих разработок в этой области, которые часто требовали длительного обучения и давали непоследовательные результаты. Новая система BCI позволяет общаться практически в режиме реального времени, и это достижение имеет огромное значение для качества жизни таких пациентов, как Кейси Харрелл.

Кейси Харрелл — участник клинического испытания BrainGate для тестирования технологии BCI. На момент регистрации он испытывал значительную слабость в конечностях, а его речь была едва понятна. Общение требовало от окружающих интерпретации его слов, что затрудняло и замедляло процесс коммуникации.

В июле 2023 года Харреллу в мозг было имплантировано устройство BCI. Оно состоит из четырех микроэлектродных матриц, размещенных в левой прецентральной извилине — области мозга, участвующей в координации речи. Они регистрируют активность мозга с 256 корковых электродов, улавливая нейронные сигналы, связанные с речью.

«Мы фактически фиксируем попытки пациентов двигать мышцами и говорить, — объясняет Стависки, который также является доцентом кафедры неврологической хирургии и одним из руководителей лаборатории нейропротезирования Калифорнийского университета в Дэвисе. — Мы ведем запись с той части мозга, которая пытается послать эти команды мышцам. По сути, мы слушаем их и переводим эти паттерны мозговой активности в фонему — слог или единицу речи — и затем в слова, которые пациент пытается произнести».

BCI с самого начала показала беспрецедентные результаты. Во время первого сеанса обучения потребовалось всего 30 минут, чтобы достичь 99,6% точности произнесения слов при словарном запасе в 50 слов. Это был существенный шаг вперед по сравнению с предыдущими системами, которые часто испытывали трудности с точностью и требовали длительных периодов обучения.

Система была протестирована как в режиме запросов, так и в режиме спонтанной беседы, при этом расшифровка речи происходила в реальном времени. Во время второй сессии объем словарного запаса был значительно увеличен, до 125 тыс. слов, а точность BCI по-прежнему составляла 90,2%, и для этого потребовалось всего 1,4 часа дополнительных тренировок. При постоянном использовании система стабильно обеспечивает точность 97,5%.

Этот уровень точности выше, чем у многих коммерческих приложений для смартфонов, предназначенных для распознавания устной речи. Для Харрелла это означает, что теперь он может общаться более эффективно, чем когда-либо прежде, используя систему, которая не только понимает его слова, но и произносит их голосом, похожим на его собственный.

«Во время первого теста системы он заплакал от радости, когда на экране появились слова, которые он пытался произнести. Мы все плакали, — вспоминает Стависки. — Возможность снова общаться невозможно переоценить».

В ходе исследования Харрелл использовал BCI в 84 сеансах сбора данных, длившихся 32 недели. Он провел более 248 часов, общаясь с помощью этой технологии как лично, так и в видеочатах. Возможность снова участвовать в разговорах стала судьбоносной для Харрелла, который выразил благодарность за технологию, вернувшую ему голос. «Отсутствие общения удручает и деморализует. Вы словно оказываетесь в ловушке», — сказал он.

«Видеть, как Кейси вновь обрел способность беседовать со своей семьей и друзьями благодаря этой технологии, было очень приятно», — говорит ведущий автор исследования Николас Кард, постдокторант отделения неврологической хирургии Калифорнийского университета в Дэвисе.

Ли Хохберг, невролог и нейробиолог, участвующий в испытании BrainGate, похвалил Харрелла и других участников за их вклад в это новаторское исследование. «Кейси и другие участники BrainGate — поистине выдающиеся люди. Они заслуживают огромной благодарности за то, что присоединились к этим ранним клиническим испытаниям, — сказал Хохберг. — Они делают это не потому, что надеются получить какую-то личную выгоду, а чтобы помочь нам разработать систему, которая вернет общение и подвижность другим людям с параличом».

Данное исследование представляет собой важную веху в развитии BCI для восстановления речи. Технология, все еще находящаяся на стадии исследования, дает надежду не только пациентам с БАС, но и людям с другими заболеваниями, приводящими к нарушению речи, такими как травмы спинного мозга или инсульты.

«Я надеюсь, что наступит время, когда у каждого пациента будет возможность получить подобное устройство, которое поможет им общаться, — сказал Харрелл. — Давайте же сделаем так, чтобы это произошло».

Ранее Илон Маск заявил, что Neuralink успешно вживила второму пациенту свое устройство, предназначенное для того, чтобы дать парализованным пациентам возможность пользоваться цифровыми устройствами лишь при помощи мысли. На данный момент компания тестирует устройство, которое предназначено для помощи людям с травмами спинного мозга. Такой имплант позволил первому пациенту, получившему его, играть в видеоигры, выходить в интернет, писать сообщения в социальных сетях и двигать курсором на своем ноутбуке.