Давайте обсудим: как работают речевые мозговые импланты

Как правило, речевые нарушения возникают у людей после инсульта или с развитием бокового амиотрофического склероза (БАС). При особо тяжёлом течении болезни пациенты могут оказаться полностью парализованными, но сохранять ясность ума. Такое состояние называют синдромом запертого человека. Пребывать в нём больные могут годами и даже десятилетиями, и для взаимодействия с внешним миром приспосабливаются использовать какие-то ещё доступные им движения, например, моргание.

До недавних времён медицина не могла предложить парализованным пациентам радикальных решений. Для связи с внешним миром некоторые из них могли использовать синтезаторы речи. Большинству этот аппарат хорошо знаком благодаря Стивену Хокингу, у которого как раз была одна из форм БАС. Он набирал текст на экране, выбирая по одной букве, задействовав сначала большой палец, а позже, когда склероз прогрессировал до того, что работать перестал и палец, — мышцы щеки. Поначалу это были всего 1–2 слова в минуту (для сравнения: человек без речевых нарушений за это же время генерирует 150–200 слов). После внедрения компанией Intel системы предиктивного ввода текста скорость набираемых слов увеличилась в несколько раз, но это всё ещё оставалось устройством, предполагающим побуквенный ввод и физическое воздействие (управление) со стороны пациента.

Учёные видели большой потенциал в нейроинтерфейсах «мозг–компьютер», рассчитывая, что именно сохранившаяся мозговая активность позволит декодировать речь напрямую из мозга. Разберём, когда разработчикам удалось перейти от теории к практике и как далеко они с тех пор продвинулись.

В 2021 году — да, технология настолько молодая — команда учёных из Калифорнийского университета под эгидой нейрохирурга Эдварда Чанга анонсировала разработку первого речевого нейропротеза. Это инвазивное устройство, и оно позволило человеку с тяжёлым параличом за минуту выдавать до 18 слов, которые выводились на экран.

Источник изображения: сайт Калифорнийского университета

Прежде чем перейти к испытаниям на парализованных пациентах, лишённых возможности говорить, Чанг изучал, как работает речевой аппарат пациентов без соответствующих нарушений. Результатом его наблюдений стала карта со сценариями мозговой активности при воспроизведении звуков. Эта карта легла в основу дальнейшей разработки речевого нейропротеза.

Первым испытуемым с анартрией* стал парализованный из-за инсульта мужчина. На коре его мозга в области, которая ответственна за обработку речи, Чанг разместил массив электродов. В течение последующих нескольких месяцев учёный вместе со своей командой обучал систему распознавать слова. Как это происходило: 1. Исследователи придумали список из 50 слов, которых хватило бы для составления большинства предложений, используемых нами в рутинной жизни. 2. Испытуемый на тренировках пытался произнести эти слова. 3. В это время электроды регистрировали подаваемые его мозгом сигналы. В конечном счёте учёным удалось добиться точности в 93 %.

Следующей работой Чанга с командой учёных из Калифорнийских университетов (в Сан-Франциско и Беркли) стала технология, которая позволила парализованной из-за инсульта женщине взаимодействовать с внешним миром уже с помощью цифрового аватара. Учёные представили работу в 2023 году.

Устройство также состояло из массива электродов, которые установили на коре головного мозга испытуемой. Электроды считывали мозговую активность, связанную с намерением произнести слова, ИИ-модель декодировала считанные сигналы, а цифровой аватар уже озвучивал вслух до 78 слов в минуту.

Источник изображения: журнал «Вокруг света»

Наши дни, 2025 год. Команды Чанга из Калифорнийского университета Беркли и Калифорнийского университета в Сан-Франциско представили уже очередной речевой интерфейс «мозг–компьютер» с интегрированным ИИ. Уникальность их новой разработки в скорости декодирования сигналов — между намерением сказать и воспроизведением звука теперь проходит всего около одной секунды. Технология также способна воспроизводить голос, близкий по звучанию к голосу пациента (если сохранены аудиозаписи, сделанные до потери речи). Дополнительное преимущество устройства — возможность использования в том числе при неинвазивных методах.

Источник изображения: Национальный институт здравоохранения

Ещё одна новейшая разработка команды из Калифорнийского университета, но уже в Дэвисе и под руководством Майтри Уайрагкар. Учёные анонсировали успешную имплантацию речевого нейропротеза мужчине с тяжёлым нарушением речи из-за БАС. Отличие устройства от всех его предшественников не столько в том, что оно способно без задержки преобразовывать в слова нейронную активность пациента, сколько в возможности корректно расставлять все интонационные акценты. Этот нейропротез позволяет испытуемому заговорить уже с выражением и даже петь.

Пока что такого рода разработки — не готовые решения, а, скорее, направления, в которых могут развиваться интерфейсы «мозг–компьютер» (и которые могут брать на вооружение производители нейроинтерфейсов). В будущем учёным ещё предстоит понять, как масштабировать технологии на пациентов с более трудными случаями. Например, с полным отсутствием способности говорить или с повреждёнными участками мозга, отвечающими за речевые функции.