Vědci objevili způsob, jak číst slova z aktivity řečových center mozku. Promluvit tak budou moci lidé, kterým z úst nevyjde ani hláska.
Dokázali jsme rozluštit mluvená slova jen na základě signálů přicházejících z mozku, a to s pomocí zařízení, jaké by dlouhodobě mohli využívat lidé, kteří pro ochrnutí nemohou mluvit,“ shrnuje výsledky výzkumu americký bioinženýr Bradley Greger z University of Utah v Salt Lake City.
Lepší než slepá náhoda Greger a jeho kolegové spolupracovali s pacienty trpícími těžkou epilepsií. Těmto nemocným byla provedena kraniotomie. Lékaři jim na nějakou dobu odstranili část lebečních kostí mozkovny, aby jim mohli zavést do mozku elektrody a snímat aktivitu neuronů.
Tak se daří odhalit oblast mozku, jejíž činnost je narušena a je zdrojem abnormálních nervových vzruchů spouštějících epileptický záchvat. Neurochirurgický zákrok v tomto místě může přinést pacientovi úlevu.
Pacienti souhlasili s tím, že jim lékaři budou zároveň pomocí nového typu elektrod sledovat aktivitu dvou řečových center. Tyto elektrody nepronikají do nervové tkáně mezi nervové buňky, ale přiléhají k povrchu mozku.
Nepoškozují nervovou tkáň, a přesto jsou s to snímat vzruchy neuronů. Dobrovolníci dostali za úkol opakovaně číst deset slov: ano, ne, horký, studený, hladový, žíznivý, ahoj, sbohem, více, méně. Vědci přitom pečlivě zaznamenávali signály zachycené elektrodami z řečových center. Následně se snažili vystopovat vzor nervových vzruchů typický pro každé slovo. Výsledek své práce ověřili sérií pokusů.
Nejprve nechali pacienta, aby myslel na jedno z dvojice protikladných slov, například „ano“, nebo „ne“. Sejmuli přitom aktivitu neuronů z řečového centra a byli s to určit myšlené slovo ve třech čtvrtinách až devadesáti procentech pokusů. To je výrazně lepší výsledek než při hádání naslepo. Při něm by vědci určili myšlené slovo správně jen v polovině případů.
V druhém pokusu mohl pacient myslet na kterékoli z desítky natrénovaných slov. Při náhodném hádání by vědci určili správně každé desáté slovo. Na základě informací získaných pomocí elektrod snímajících aktivitu neuronů řečových center dosáhli úspěšnosti od 28 do 48 procent. Výsledky studie publikoval vědecký časopis Journal of Neural Engineering.
Syntezátor promluví za „uzamčené“ Bradley Greger přiznává, že na počítačový „překladač“, který by rutinně zvládal čtení slov z aktivity řečového centra, stávající systém ještě nestačí.
„Prokázali jsme, že toto zařízení v principu funguje. Dokázali jsme, že aktivita neuronů v řečovém centru prozrazuje, co člověk říká, a že to umíme přečíst s úspěšností, která překonává slepou náhodu. Teď ale potřebujeme zvládnout podstatně větší počet slov a s mnohem vyšší úspěšností. Jen tak můžeme vyrobit zařízení, které skutečně pomůže ochrnutým lidem,“ říká americký bioinženýr.
Systém čtení slov z aktivity nervových buněk řečových center mozku je zatím na počátku vývoje a bude trvat ještě několik let, než bude možné přistoupit k prvním klinickým zkouškám s nemluvícími pacienty. Greger předpokládá, že by tento systém komunikace nejvíce přinesl pacientům trpícím rozsáhlým ochrnutím po úrazu, po mozkové cévní příhodě nebo v důsledku degenerace nervového systému při některých chorobách, jako je například tzv. Lou Gehrigova choroba.
Tito lidé jsou často „uzamčeni“ v ochrnutém těle. Mozek jim pracuje bez problémů, ale tělo už je vůbec neposlouchá.
Mohou se domlouvat s okolím jen s velkými obtížemi, například nepatrnými pohyby ruky nebo mrkáním.
„Čtečka“ řečových center, která by překládala aktivitu neuronů do slov pronášených počítačovým hlasovým syntezátorem, by takovým pacientům komunikaci dramaticky usnadnila.
Nová elektroda Velkým příslibem je nový typ elektrod. Dosavadní experimentální systémy využívaly dva zcela opačné principy. V jednom byl systém velmi jemných elektrod „napíchnut“ přímo do mozkové tkáně. Tyto elektrody mají vysokou citlivost a dokážou zachytit změny v aktivitě několika mála neuronů.
Jejich velikou nevýhodou je, že poškozují nervovou tkáň. Ta reaguje na přítomnost elektrod produkcí bílkovin, jež kov elektrody izolují od nervových buněk. Elektrody pak ztrácejí kontakt s neurony a přestávají pracovat. Tento typ elektrod je využíván například v systému BrainGate určeném pro ochrnuté pacienty. Snímá vzruchy z centra řídícího pohyb těla. Pacient s jeho pomocí ovládá počítač a speciálně upravené domácí spotřebiče a zařízení. Může si tak například poslat e-mail, zapnout televizi, rozsvítit nebo regulovat topení.
Druhý systém využívá elektrody, jež nepronikají do lebky a jsou připevněny ke kůži hlavy podobně jako elektrody pro vyšetření mozku elektroencefalografem. Za velkou šetrnost platí tyto elektrody nízkou citlivostí. S jejich pomocí lze od sebe rozeznat jen velmi odlišné činnosti mozku. I tyto elektrody mohou ochrnutí lidé využívat pro komunikaci a ovládání mnoha zařízení. Povely se ale musí „kódovat“. Pro rozjetí invalidního vozíku musí například pacient počítat, aby elektrody zareagovaly na aktivitu center potřebných pro provádění kalkulací. Pro zastavení vozíku musí naopak v duchu odříkávat nějaká slova, aby zaměstnal jiná mozková centra a zařízení mohlo zareagovat na změnu.
Na dálku lze do určité míry „číst myšlenky“ pomocí funkční magnetické rezonance, která zaznamenává změny v průtoku krve různými částmi mozku. Mozková centra, která intenzivně pracují, potřebují živiny a kyslík, a proto je k nim příliv krve posílen.
Britští a japonští vědci ukázali dobrovolníkům několik různých obrazců a sledovali průtok krve jejich zrakovým centrem v mozku. Následně ukázali některý obrázek pacientům podruhé a jenom z aktivity mozku poměrně spolehlivě určili, který obrázek ze souboru si pacient právě prohlíží. Vyšetření funkční magnetickou rezonancí je ale velmi náročné, drahé a rozhodně je nelze provádět neustále.
Nový typ elektrod přiléhajících k povrchu mozku, označovaný jako microECoG, je ve své podstatě miniaturní verzí elektrod, jež jsou už půl století používány pro vyšetření mozku epileptiků při tzv. elektrokortikografii. Jsou sice zavedeny do nitra lebky, ale nepoškozují mozek a vyznačují se poměrně velkou citlivostí. Jde tedy o jakýsi kompromis mezi staršími systémy.
Gregerův tým využil pro „rozhovor s mozkem“ systém šestnácti elektrod vzdálených navzájem jeden milimetr. Jedny elektrody přiložili k oblasti mozku, která řídí pohyb úst při mluvení. Druhé elektrody kontrolovaly činnost tzv. Wernickeovy oblasti mozkové kůry, která má na starosti chápání psané i mluvené řeči.
Nejspolehlivější informace o slovu, na které dobrovolníci v Gregerově experimentu mysleli, získávali vědci sledováním aktivity centra řídícího pohyb úst při mluvení. Pokud byly tyto informace doplněny o data získaná sledováním Wernickeovy oblasti, přesnost určení slov se už významněji nezvýšila.
***
Vědci dokázali správně určit slovo, na které pacient právě myslel, až v devadesáti procentech pokusů
TLUMOČNÍK NEVYŘČENÝCH SLOV Myslete si slovo a my poznáme, co chcete říct. Výzkum směřující k elektronickému tlumočníkovi nevyřčených slov je nadějí pro lidi, kteří po úrazu nebo nemoci ztratili schopnost mluvit.
Zařízení vyvinuté na University of Utah zaznamenává pomocí elektrod aktivitu řečových center mozku. Dobrovolníci říkají slova a přístroj zaznamenává, jaké typy signálů přitom v mozku vznikají. Když přístroj zpracoval všechny údaje dokázali vědci v následujícím pokusu správně určit 75 až 90 procent slov, na něž dobrovolníci mysleli. V dalším pokusu mohl dobrovolník myslet na kterékoli z desítky natrénovaných slov. Správně se jich podařilo přetlumočit 28 až 48 procent.
O autorovi| JAROSLAV PETR, Autor je profesorem České zemědělské univerzity a pracuje ve Výzkumném ústavu živočišné výroby v Praze-Uhříněvsi
