Η απώλεια της φωνής σας ή της ικανότητας να πληκτρολογείτε ένα απλό μήνυμα μπορεί να σημαίνει, για κάποιον που πάσχει από σοβαρή παράλυσηΑυτό είναι πολύ περισσότερο από ένας φυσικός περιορισμός: περιλαμβάνει τη μείωση της αυτονομίας, των σχέσεών τους και, σε μεγάλο βαθμό, των ίδιων των σχεδίων ζωής τους. Τα τελευταία χρόνια, η νευροτεχνολογία έχει επικεντρωθεί σε αυτό το πρόβλημα, αναζητώντας τρόπους για να επικοινωνούν ξανά αυτά τα άτομα χωρίς να βασίζονται σε αργά και εξαντλητικά συστήματα.
Σε αυτό το πλαίσιο, μια αμερικανική ερευνητική ομάδα δοκίμασε με επιτυχία ένα εμφυτεύσιμη διεπαφή εγκεφάλου-υπολογιστή ικανό να μετατρέπει τις κινήσεις των δακτύλων σε κείμενο σε ένα εικονικό πληκτρολόγιο. Η συσκευή, η οποία βρίσκεται ακόμη σε πειραματική φάση, έχει δοκιμαστεί σε δύο άτομα με σχεδόν πλήρη παράλυση και έχει επιτύχει ταχύτητες πληκτρολόγησης και επίπεδα ακρίβειας κοντά σε αυτά ενός ατόμου χωρίς κινητικές αναπηρίες.
Μια νευροπρόθεση που μεταφράζει τις προσπάθειες πληκτρολόγησης σε γράμματα
Η εργασία υπογράφεται από επιστήμονες από Ινστιτούτο Νευροεπιστημών Mass General Brigham, στη Βοστώνη, και του Πανεπιστήμιο Μπράουνπου συνεργάζονται εδώ και χρόνια στην κοινοπραξία BrainGate, μια πρωτοβουλία που επικεντρώνεται στην ανάπτυξη διεπαφές εγκεφάλου-υπολογιστή για άτομα με παράλυσηΗ νέα μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Nature Neuroscience, περιγράφει μια νευροπρόσθεση γραφής που δεν μετακινεί τον κέρσορα, αλλά βασίζεται σε ένα συμβατικό πληκτρολόγιο QWERTY ως σημείο εκκίνησης.
Για να το πετύχουν αυτό, οι ερευνητές εμφυτεύουν αισθητήρες μικροηλεκτροδίων στον κινητικό φλοιόΗ περιοχή του εγκεφάλου που εμπλέκεται στον έλεγχο των εκούσιων κινήσεων των χεριών και των δακτύλων. Αυτά τα μικροηλεκτρόδια ανιχνεύουν την ηλεκτρική δραστηριότητα που συμβαίνει όταν ένα άτομο προσπαθεί νοερά να κινήσει τα δάχτυλά του για να πατήσει ένα πλήκτρο, παρόλο που το σώμα δεν μπορεί να εκτελέσει την χειρονομία λόγω του τραυματισμού.
Μπροστά στον συμμετέχοντα εμφανίζεται ένα τυπικό πληκτρολόγιο QWERTY συνοδεύεται από μια σχηματική αναπαράσταση των δακτύλων. Κάθε γράμμα σχετίζεται με έναν συγκεκριμένο συνδυασμό θέσεων των δακτύλων (για παράδειγμα, πάνω, κάτω ή σε κάμψη). Όταν ο χρήστης φαντάζεται αυτές τις κινήσεις, τα ηλεκτρόδια συλλέγουν το νευρωνικό σήμα και το στέλνουν σε ένα σύστημα υπολογιστή που... μεταφράζεται σε χαρακτήρες κειμένου.
Η διαδικασία δεν σταματά εκεί: η έξοδος του αποκωδικοποιητή περνάει από ένα προγνωστικό μοντέλο γλώσσαςΌπως και η λειτουργία αυτόματης διόρθωσης στα κινητά τηλέφωνα, βοηθά στη διόρθωση λαθών και στη συμπλήρωση λέξεων, έτσι ώστε η τελική πρόταση να είναι συνεκτική και όσο το δυνατόν πιο πιστή στην πρόθεση του ασθενούς.
Δύο ασθενείς με σοβαρή παράλυση ως δοκιμαστική περίπτωση
Η δίκη διεξήχθη με δύο άτομα πολύ προχωρημένη παράλυση: ένας συμμετέχων με προχωρημένη αμυοτροφική πλευρική σκλήρυνση (ALS) και ένας άλλος με τραυματισμός του αυχενικού νωτιαίου μυελού γεγονός που τον προκάλεσε τετραπληγία. Και οι δύο συμμετείχαν στο κλινικό πρόγραμμα BrainGate και έδωσαν τη συγκατάθεσή τους για τη δοκιμή της νέας νευροπρόσθεσης γραφής.
Μετά την επέμβαση εμφύτευσης μικροηλεκτροδίων, οι εθελοντές υποβλήθηκαν σε σύντομη εκπαίδευση με το σύστημα. Χρειάστηκαν περίπου 30 φράσεις βαθμονόμησης έτσι ώστε το λογισμικό να μπορεί να προσαρμόσει τους αλγόριθμους αποκωδικοποίησής του στα νευρωνικά σήματα κάθε ατόμου. Από εκεί, τους ζητήθηκε να γράψουν μηνύματα χρησιμοποιώντας μόνο τις προσπάθειές τους να κινήσουν τα δάχτυλά τους στο εικονικό πληκτρολόγιο που εμφανιζόταν στην οθόνη.
Τα αποτελέσματα ήταν αξιοσημείωτα για την ταχύτητα και την ακρίβειά τους. Ένας από τους συμμετέχοντες έφτασε σε μέγιστη ταχύτητα 110 χαρακτήρες ανά λεπτόΑυτό μεταφράζεται σε περίπου 22 λέξεις ανά λεπτό, με ποσοστό σφάλματος λέξεων 1,6%. Αυτό το περιθώριο σφάλματος είναι παρόμοιο με αυτό ενός ατόμου που πληκτρολογεί με το χέρι σε ένα φυσικό πληκτρολόγιο ή σε μια οθόνη smartphone.
Ο δεύτερος εθελοντής, που έπασχε από προχωρημένη ALS και χρειαζόταν μηχανική υποστήριξη της αναπνοής, πέτυχε επίσης. να παράγει κατανοητές προτάσεις μέσω του συστήματος, αν και με κάπως πιο αργό ρυθμό. Στην περίπτωσή του, η σημασία της προόδου είναι ιδιαίτερα αξιοσημείωτη, καθώς είχε χάσει εντελώς την ικανότητα να μιλάει και δεν μπορούσε να χρησιμοποιήσει συμβατικές υποστηρικτικές τεχνολογίες χωρίς τεράστια προσπάθεια.
Μια ιδιαίτερα σημαντική πτυχή της δοκιμής είναι ότι και οι δύο ασθενείς ήταν σε θέση να χρησιμοποιήστε τη συσκευή στο σπίτι σαςΚαι όχι μόνο σε ένα αυστηρά νοσοκομειακό ή εργαστηριακό περιβάλλον. Αυτό υποδηλώνει ότι, με περαιτέρω ανάπτυξη, η τεχνολογία θα μπορούσε να ενσωματωθεί σε καθημερινά συστήματα υποστήριξης, έτσι ώστε όσοι πάσχουν από σοβαρή παράλυση να μπορούν να επικοινωνούν από το σπίτι με μέλη της οικογένειας, φροντιστές ή επαγγελματίες υγείας.
Γιατί αυτή η διεπαφή διαφέρει από τα τρέχοντα συστήματα
Σήμερα, πολλά άτομα με παράλυση που διατηρούν κάποιο έλεγχο των ματιών βασίζονται σε συσκευές παρακολούθησης των ματιώνΑυτά τα συστήματα επιτρέπουν στους χρήστες να επιλέγουν γράμματα ή εικονίδια μετακινώντας τα μάτια τους σε μια οθόνη, αλλά, όπως περιγράφουν οι ίδιοι οι ασθενείς, είναι αργά, κουραστικά στη χρήση και επιρρεπή σε σφάλματα. Σε πολλές περιπτώσεις, οι χρήστες καταλήγουν να τα εγκαταλείπουν λόγω της απογοήτευσης που προκαλούν.
Η νευροπρόθεση του BrainGate υιοθετεί μια διαφορετική προσέγγιση: αντί να παρακολουθεί το βλέμμα ή να κινεί τον κέρσορα με τη σκέψη, εστιάζει σε αποκωδικοποιήστε τις προσπάθειες κίνησης των δακτύλων σε ένα πληκτρολόγιο που είναι οικείο σχεδόν σε κάθε εγγράμματο άτομο. Αυτή η στρατηγική έχει δύο σαφή πλεονεκτήματα: αφενός, μας επιτρέπει να εκμεταλλευτούμε την κινητική μνήμη που ανέπτυξαν πολλοί ασθενείς κατά τη διάρκεια των ετών χρήσης φυσικών πληκτρολογίων· αφετέρου, διευκολύνει την προσέγγιση υψηλότερες ταχύτητες εγγραφής από εκείνα άλλων συστημάτων επαυξητικής επικοινωνίας.
Επιπλέον, η χρήση αλγορίθμων τεχνητής νοημοσύνης, τόσο για την αποκωδικοποίηση του νευρωνικού σήματος όσο και για το γλωσσικό μοντέλο, συμβάλλει στη βελτιωμένη ακρίβεια χωρίς να απαιτείται υπερβολική γνωστική προσπάθεια από τον χρήστη. Το άτομο δεν χρειάζεται να «σκέφτεται μεμονωμένα γράμματα», αλλά μάλλον να φαντάζεται να κινεί τα δάχτυλά του όπως θα έκανε αν πληκτρολογούσε στην πραγματικότητα.
Σύμφωνα με την ερευνητική ομάδα, αυτός ο συνδυασμός εμφυτεύσιμου αισθητήρα, προηγμένης επεξεργασίας σήματος και γλωσσικών μοντέλων μεταμορφώνει το διεπαφές εγκεφάλου-υπολογιστή σε μια ολοένα και πιο σταθερή εναλλακτική λύση στις υπάρχουσες λύσεις, τουλάχιστον για μια συγκεκριμένη ομάδα ασθενών με σοβαρή παράλυση που δεν βρίσκουν επαρκή ανταπόκριση σε συμβατικά συστήματα.
Ο ρόλος της κοινοπραξίας BrainGate και οι μελλοντικές προβλέψεις
Η ανάπτυξη αυτής της νευροπρόθεσης αποτελεί μέρος του έργου της κοινοπραξίας. BrainGateΗ Διεθνής Ένωση Νευροεπιστημών (INCAA), που ιδρύθηκε το 2004, συγκεντρώνει νευρολόγους, νευροεπιστήμονες, μηχανικούς, επιστήμονες υπολογιστών, νευροχειρουργούς, μαθηματικούς και άλλους ειδικούς από διάφορα ακαδημαϊκά ιδρύματα. Κοινός στόχος τους είναι η δημιουργία τεχνολογιών που επιτρέπουν... ανακτήσει τις χαμένες λειτουργίες σε άτομα με νευρολογικές παθήσεις, τραυματισμούς του νωτιαίου μυελού ή ακρωτηριασμούς.
Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, το BrainGate έχει καταδείξει σε ελεγχόμενες δοκιμές ότι οι διεπαφές εγκεφάλου-υπολογιστή μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ελέγχου δρομέων, ρομποτικών βραχιόνων ή εξωτερικών συσκευών με βάση την εγκεφαλική δραστηριότητα. Η δημοσιευμένη πλέον πρόοδος εστιάζει ειδικά στην γραπτή επικοινωνία, έναν βασικό τομέα για όσους έχουν χάσει τόσο την ικανότητα ομιλίας όσο και την ικανότητα χρήσης φυσικού πληκτρολογίου.
Οι υπεύθυνοι της δοκιμής τονίζουν ότι η τεχνολογία βρίσκεται ακόμη σε ερευνητικό στάδιο. Ερωτήματα όπως τα ακόλουθα παραμένουν προς επίλυση: ανθεκτικότητα των εμφυτευμάτων, η σταθερότητα των σημάτων με την πάροδο του χρόνου, οι πιθανοί κίνδυνοι που σχετίζονται με τις χειρουργικές επεμβάσεις, η ευκολία χρήσης των εγχώριων συστημάτων ή η ένταξή τους στη χρηματοδότηση των συστημάτων υγείας, συμπεριλαμβανομένων των ευρωπαϊκών.
Ακόμα και με αυτές τις προφυλάξεις, η ομάδα πιστεύει ότι η συσκευή ανοίγει έναν δρόμο για την ανάπτυξη της βιομηχανίας μεσοπρόθεσμα. εμπορικές εκδόσεις νευροπροθέσεων προσαρμοσμένο σε ασθενείς με διαφορετικά προφίλ παράλυσης. Η κοινοπραξία τονίζει ότι η συνεργασία μεταξύ ακαδημαϊκών κέντρων και εταιρειών θα είναι το κλειδί για τη μετατροπή αυτών των πειραματικών αποτελεσμάτων σε πραγματικές κλινικές λύσεις.
Συνάφεια για τους ασθενείς στην Ευρώπη και επερχόμενες προκλήσεις
Παρόλο που η μελέτη διεξήχθη στις Ηνωμένες Πολιτείες, ο αντίκτυπός της σχετίζεται άμεσα με άτομα με ALS, τραυματισμοί νωτιαίου μυελού ή εγκεφαλικό επεισόδιο Στην Ευρώπη, συμπεριλαμβανομένης της Ισπανίας, όπου η γήρανση του πληθυσμού και η αύξηση των νευροεκφυλιστικών ασθενειών αυξάνουν τη ζήτηση για τεχνολογίες υποστήριξης επικοινωνίας χρόνο με το χρόνο.
Σε συστήματα υγειονομικής περίθαλψης όπως αυτό της Ισπανίας, με ισχυρή δημόσια συνιστώσα, αυτοί οι τύποι εξελίξεων συνήθως αξιολογούνται όχι μόνο για την κλινική τους αποτελεσματικότητα, αλλά και για την την οικονομική αποδοτικότητα και την ικανότητά του να ενσωματώνεται σε δίκτυα νευρολογικής αποκατάστασης και κατ' οίκον φροντίδα. Η δυνατότητα λειτουργίας των διεπαφών εγκεφάλου-υπολογιστή σε οικιακά περιβάλλοντα ευνοεί τη μελλοντική τους υιοθέτηση, υπό την προϋπόθεση ότι ο εξοπλισμός απλοποιηθεί και τα εξαρτήματα γίνουν φθηνότερα.
Κοιτάζοντας μπροστά στα επόμενα χρόνια, οι ερευνητές προτείνουν διάφορους τομείς βελτίωσης. Ένας από αυτούς περιλαμβάνει την εισαγωγή προσαρμοσμένα πληκτρολόγια ή συστήματα στενογραφίας που επιτρέπουν ακόμη ταχύτερη πληκτρολόγηση· ένα άλλο, για να αξιοποιηθεί η ίδια τεχνολογία για να προσπαθήσει να αποκαταστήσει τις κινήσεις προσέγγισης και πιασίματος σε άτομα με παράλυση των άνω άκρων, χρησιμοποιώντας τα ήδη εντοπισμένα πρότυπα νευρωνικής δραστηριότητας.
Υπάρχει επίσης συζήτηση για τον συνδυασμό αυτών των διεπαφών με άλλα εργαλεία υποστήριξης, όπως αναγνώστες οθόνης, φωνητικούς βοηθούς ή συσκευές οικιακού αυτοματισμού, με στόχο την κατασκευή πιο προσβάσιμα περιβάλλοντα διαβίωσης για όσους εξαρτώνται από αναπηρικό αμαξίδιο ή χρειάζονται συνεχή φροντίδα. Όλα αυτά με το ίδιο κοινό νήμα: την επανασύνδεση του εγκεφάλου του ατόμου με τον κόσμο γύρω του όταν το σώμα του έχει σταματήσει να ανταποκρίνεται.
Συνολικά, αυτή η νέα κλινική δοκιμή καταδεικνύει ότι ένα εμφυτεύσιμη διεπαφή εγκεφάλου-υπολογιστή Μπορεί να δώσει σε άτομα με σοβαρή παράλυση μια μορφή γραπτής επικοινωνίας που είναι γρήγορη, ακριβής και αρκετά σταθερή ώστε να χρησιμοποιείται στην καθημερινή ζωή, κάτι που αποτελεί σημαντικό βήμα προς λύσεις που όχι μόνο παρατείνουν τη ζωή, αλλά και επιτρέπουν στους ανθρώπους να ζουν με μεγαλύτερη αυτονομία και ικανότητα να σχετίζονται με τους άλλους.