VAATA JA IMESTA ⟩ Ajuimplantaat taastab kõnevõime vaid mõttejõul

Teadlane kasutab pintsetttööriista, et panna inimese aju mudelisse väikesed arvutikiibi üksikasjad. Foto: Shutterstock

Uus tehnoloogia võib ühel päeval aidata inimestel, kes ei saa neuroloogiliste häirete tõttu rääkida, taastada nende suhtlemisvõimet läbi aju-arvuti liidese. Kõneprotees, mille on välja töötanud Duke'i neuroteadlaste, neurokirurgide ja inseneride koostöörühm, võib tõlkida inimese ajusignaale sellesse, mida nad üritavad öelda. 

«On palju patsiente, kes kannatavad kurnavate motoorsete häirete all, nagu amüotroofiline lateraalskleroos (ALS) või lukustatud sündroom, mis võib nende kõnevõimet halvendada,» ütleb Duke'i ülikooli meditsiinikooli neuroloogiaprofessor ja üks projektiga seotud juhtivteadlasi Gregory Cogan. «Aga olemasolevad vahendid, mis võimaldavad neil suhelda, on üldiselt väga aeglased ja tülikad.»

Kujutage ette, et kuulate audioraamatut poole kiirusega. See on praegu parim saadaolev kõne dekodeerimise kiirus, mille kiirus on umbes 78 sõna minutis. Inimesed räägivad aga umbes 150 sõna minutis.

Mahajäämus kõnekiiruste ja dekodeeritud kõnekiiruste vahel on osaliselt tingitud suhteliselt vähestest aju aktiivsusanduritest, mida saab sulandada ajupinnale asetatavale paberõhukesele materjalitükile. Mida vähem andureid, seda vähem annab see dekodeerimiseks dešifreeritavat teavet.

Varasemate piirangute parandamiseks tegi Cogan koostööd Duke'i ajuteaduste instituudi õppejõu Jonathan Viventiga, kelle biomeditsiinitehnika labor on spetsialiseerunud suure tihedusega, üliõhukeste ja paindlike ajuandurite valmistamisele.

Selle projekti jaoks pakkisid Viventi ja tema meeskond muljet avaldavad 256 mikroskoopilist ajuandurit postmargisuurusele elastsele meditsiinilisele plastile. Närvirakkudel võib kõne koordineerimisel olla metsikult erinev aktiivsusmuster, seega on vaja eristada signaale naabruses asuvatest ajurakkudest, et aidata teha täpseid ennustusi kavandatud kõne kohta.

Pärast uue implantaadi valmistamist tegid Cogan ja Viventi koostööd Duke'i ülikooli haigla neurokirurgidega, sealhulgas Derek Southwell, Nandan Lad ja Allan Friedman, kes aitasid värvata nelja patsienti implantaatide testimiseks. Eksperimendi käigus pidid teadlased seadme ajutiselt paigutama patsientidele, kellel tehti ajuoperatsioon mõne muu seisundi tõttu, näiteks Parkinsoni tõbi või kasvaja eemaldamine. Coganil ja tema meeskonnal oli aeg piiratud, et katsetada oma seadet operatsioonitoas. 

«Me ei taha operatsiooni aega pikendada, seega pidime 15 minuti jooksul käima ruumist sisse ja välja. Niipea, kui kirurg ja meditsiinirühm ütlesid «Minge!», tormasime tegutsema ja patsient täitis ülesande.»

Ülesandeks oli kuula-ja-korda tegevus. Osalejad kuulsid mitmeid jaburaid sõnu, nagu «ava», «kug» või «vip», ja rääkisid seejärel kõik valjusti. Seade registreeris iga patsiendi kõnemotoorse ajukoore aktiivsust, kuna see koordineeris peaaegu 100 lihast, mis liigutavad huuli, keelt, lõualuud ja kõri.

Pärast seda võttis uue raporti esimene autor, Duke'i biomeditsiinitehnika eriala tudeng Suseendrakumar Duraivel operatsioonisviidist närvi- ja kõneandmed ning sisestas need masinõppe algoritmi, et näha, kui täpselt suudab see helisid prognoosida, tuginedes ainult ajutegevuse salvestistele.

Mõne heli ja osaleja puhul, nagu «g», sai dekooder selle õigeks 84 protsendil juhtudest. 

Täpsus aga langes, kuna dekooder sõelus välja mõttetu sõna keskel või lõpus olevad helid. Samuti oli probleeme, kui kaks heli olid sarnased, nagu «p» ja «b».

Üldiselt oli dekooder täpne 40 protsendil ajast. See võib tunduda tagasihoidlik testitulemus, kuid üsna muljet avaldav, arvestades, et sellised ajust kõneks muutmise tehnilised saavutused nõuavad tundide või päevade pikkusi andmeid. Kasutatav kõnedekodeerimise algoritm Duraivel töötas aga vaid 90 sekundi kõneandmetega 15-minutilisest testist.

Duraivel ja tema mentorid on põnevil seadme juhtmeta versiooni loomisest, mille jaoks on riiklikud tervishoiuinstituudid eraldanud 2,4 miljonit dollarit.

«Arendame praegu välja sama tüüpi salvestusseadmeid, kuid ilma juhtmeteta,» ütleb Cogan. «Et oleks võimalik ringi liikuda ja ei peaks olema pistikupesaga seotud.»

Kuigi nende töö on julgustav, on Viventi ja Cogani kõneproteeside müügile jõudmiseni veel pikk tee.

«Oleme selles punktis, kus seade on ikka veel palju aeglasem kui loomulik kõne,» ütles Viventi hiljutises Duke Magazine'i tehnoloogiateemalises artiklis.