Interfejs mózg-komputer do przywracania zdolności mowy
Afazja to nabyte zaburzenie mowy, które jest wynikiem zwyrodnienia lub uszkodzenia obszarów mózgu odpowiedzialnych za kontrolę mowy, spowodowanych urazem lub udarem. Utrata zdolności do komunikacji z innymi odbija się na zdrowiu psychicznym osoby dotkniętej tą przypadłością i jej rodziny. Przywrócenie zdolności mowy u pacjentów dotkniętych afazją wymaga zastosowania neuroprotezy zwanej interfejsem mózg-komputer (ang. brain-computer interface, BCI), który może odczytywać sygnały w mózgu dotyczące mowy. Chociaż interfejsy BCI są wykorzystywane w implantach ślimakowych w celu poprawy słuchu, technologia przywracania mowy pozostaje daleko w tyle.
Nowa technologia przewidywania mowy
Kluczowym celem finansowanego ze środków UE projektu BrainCom był rozwój rozwiązań rehabilitacyjnych do przywracania zdolności mowy i komunikacji u pacjentów z niepełnosprawnościami w oparciu o innowacyjne technologie, które dekodują i przewidują ciąg mowy. Ludzki mózg jest niezwykle złożony i składa się ze 100 miliardów neuronów. Aby w pełni zrozumieć podstawowe zasady działania tak skomplikowanego systemu, należy śledzić aktywność elektryczną dużej populacji neuronów jednocześnie za pomocą rozwiązania gwarantującego wysoką rozdzielczość przestrzenno-czasową. Istniejące technologie, takie jak obrazowanie metodą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego lub obrazowanie elektroencefalograficzne stosunkowo skutecznie wskazują rodzaj sygnałów neuronowych istotnych dla mowy. Są one jednak zbyt wolne, by można je było wykorzystać w sytuacjach rzeczywistych, takich jak rozmowa. Ciekawe podejście do monitorowania aktywności mózgu oferuje elektrokortykografia, która polega na umieszczeniu elektrod na powierzchni mózgu, gdzie bardzo szybko można odczytywać aktywność elektryczną w wysokiej rozdzielczości.
Grafenowe czujniki wspierają rozwój elektrokortygraficznych interfejsów neuronowych
Wykorzystując wyjątkowe właściwości elektroniczne grafenu, naukowcy opracowali elastyczne matryce czujników zwanych tranzystorami, umożliwiające wykrywanie aktywności neuronowej na dużych obszarach mózgu. Grafenowe tranzystory i ich multipleksowe działanie umożliwiły zbudowanie matryc składających się z tysięcy czujników, które zostały następnie zmniejszone do rozmiaru około jednego neuronu przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej jakości. Pomysł zakładał umieszczenie tych czujników w istotnych, powiązanych z mową miejscach w korze mózgowej. Przy pomocy złożonych algorytmów zespół projektu BrainCom mógł zbierać dane dotyczące mózgu i przewidywać mowę z dużą precyzją. „Kiedy użytkownik wyraźnie wyobraża sobie, że wypowiada słowa w swojej głowie, mózg uruchamia podobne wzorce aktywności, jakby rzeczywiście słowa były wypowiadane na głos”, wyjaśnia Jose Antonio Garrido, koordynator projektu. Technologia przetwarzania w czasie rzeczywistym BrainCom pozwoli na komunikację osobom mającym problemy z mową. Fonemy, słowa, zdania i dialogi będą mogły być produkowane na podstawie precyzyjnie odczytywanych sygnałów neuronowych.
Wprowadzenie technologii na rynek
Następny krok zakłada zwiększenie skali produkcji interfejsów BrainCom i test ich działania podczas badań klinicznych z udziałem ludzi. Firma Multi Channel Systems planuje wprowadzić czujniki na rynek neuronauki przedklinicznej w 2022 roku. Z kolei firma z sektora technologii medycznej, INBRAIN Neuroelectronics, przeprowadzi pierwsze badania kliniczne z udziałem ludzi, aby potwierdzić bezpieczeństwo i działanie technologii BrainCom. Opracowane w ramach projektu innowacje przyczyniają się do rozwoju dziedziny neurobiologii klinicznej i potencjalnych zastosowań wszczepialnych interfejsów neuronowych. Oprócz przywracania zdolności mowy technologia ta może znaleźć zastosowanie w rehabilitacji funkcji poznawczych i monitorowaniu epilepsji.
Słowa kluczowe
BrainCom, BCI, interfejs mózg-komputer, elektrokortykografia, aktywność neuronowa, przywracanie zdolności mowy, afazja, nieartykułowana mowa