Balss zaudēšana vai spēja ierakstīt vienkāršu ziņojumu var nozīmēt daudz vairāk nekā tikai fizisku ierobežojumu cilvēkam, kurš cieš no smagas paralīzes : tas nozīmē redzēt, kā samazinās viņu autonomija, attiecības un lielā mērā arī viņu dzīves plāni. Pēdējos gados neirotehnoloģijas ir pievērsušās šai problēmai, meklējot veidus, kā šie cilvēki varētu atkal sazināties, nepaļaujoties uz lēnām un nogurdinošām sistēmām.
Šajā kontekstā ASV pētnieku komanda ir veiksmīgi testējusi implantējamu smadzeņu un datora saskarni, kas spēj pārveidot pirkstu kustības tekstā uz virtuālās tastatūras. Ierīce, kas joprojām atrodas eksperimentālā fāzē, ir testēta uz diviem cilvēkiem ar gandrīz pilnīgu paralīzi, un ir sasniegusi rakstīšanas ātrumu un precizitātes līmeni, kas ir tuvs cilvēka bez motorikas traucējumiem ātrumam.
Neiroprotēze, kas pārvērš rakstīšanas mēģinājumus burtos
Darba autori ir zinātnieki no Masačūsetsas ģenerālprokurora Brigama Neirozinātņu institūta Bostonā un Brauna universitātes , kuri jau gadiem ilgi sadarbojas BrainGate konsorcijā — iniciatīvā, kuras mērķis ir izstrādāt smadzeņu un datora saskarnes cilvēkiem ar paralīzi . Jaunajā pētījumā, kas publicēts zinātniskajā žurnālā Nature Neuroscience, aprakstīta rakstīšanas neiroprotēze, kas nepārvieto kursoru, bet gan kā sākumpunktu izmanto parasto QWERTY tastatūru.
Lai to panāktu, pētnieki implantē mikroelektrodu sensorus motorajā garozā — smadzeņu reģionā, kas iesaistīts apzinātu roku un pirkstu kustību kontrolēšanā. Šie mikroelektrodi uztver elektrisko aktivitāti, kas rodas, kad cilvēks garīgi mēģina kustināt pirkstus, lai nospiestu taustiņu, pat ja ķermenis traumas dēļ nevar izpildīt žestu.
Dalībniekam tiek parādīta standarta QWERTY tastatūra kopā ar pirkstu shematisku attēlojumu. Katrs burts ir saistīts ar noteiktu pirkstu pozīciju kombināciju (piemēram, uz augšu, uz leju vai saliekti). Kad lietotājs iztēlojas šīs kustības, elektrodi uztver neironu signālu un nosūta to uz datorsistēmu, kas to pārveido teksta rakstzīmēs.
Process ar to nebeidzas: dekodētāja izvade tiek apstrādāta ar paredzošu valodas modeli , kas ir līdzīgs automātiskajai labošanai mobilajos tālruņos, un palīdz labot kļūdas un pabeigt vārdus, lai galīgais teikums būtu saskaņots un pēc iespējas precīzāk atbilstu pacienta iecerei.
Divi pacienti ar smagu paralīzi kā testa gadījums
Pētījums tika veikts ar diviem cilvēkiem ar ļoti progresējošu paralīzi : vienu dalībnieku ar progresējošu amiotrofisko laterālo sklerozi (ALS) un otru ar kakla muguras smadzeņu traumu , kas izraisīja tetraplēģiju. Abi piedalījās BrainGate klīniskajā programmā un piekrita testēt jauno rakstīšanas neiroprotēzi.
Pēc mikroelektrodu implantācijas operācijas brīvprātīgie īsi apmācījās ar sistēmu. Aptuveni 30 kalibrēšanas teikumi bija pietiekami , lai programmatūra varētu pielāgot savus dekodēšanas algoritmus katra cilvēka neironu signāliem. Pēc tam viņiem tika lūgts rakstīt ziņojumus, izmantojot tikai mēģinājumus pārvietot pirkstus pa ekrānā redzamo virtuālo tastatūru.
Rezultāti bija ievērojami gan ātruma, gan precizitātes ziņā. Viens dalībnieks sasniedza maksimālo ātrumu 110 rakstzīmes minūtē , kas atbilst aptuveni 22 vārdiem minūtē, ar vārdu kļūdu līmeni 1,6%. Šis kļūdu līmenis ir līdzīgs tam, kāds rodas, rakstot uz fiziskas tastatūras vai viedtālruņa ekrāna.
Otrais brīvprātīgais, kurš cieta no progresējošas ALS un kuram bija nepieciešama mākslīgā plaušu ventilācija, arī spēja izveidot saprotamus teikumus, izmantojot sistēmu, lai gan nedaudz lēnāk. Viņa gadījumā šī progresa nozīme ir īpaši ievērojama, jo viņš bija pilnībā zaudējis spēju runāt un nevarēja izmantot parastās palīgtehnoloģijas bez milzīgām pūlēm.
Īpaši svarīgs pētījuma aspekts ir tas, ka abi pacienti varēja izmantot ierīci savās mājās , ne tikai stingri slimnīcas vai laboratorijas apstākļos. Tas liecina, ka, attīstot tehnoloģiju, to varētu integrēt ikdienas atbalsta sistēmās, lai cilvēki ar smagu paralīzi varētu sazināties no mājām ar ģimenes locekļiem, aprūpētājiem vai veselības aprūpes speciālistiem.
Kāpēc šī saskarne atšķiras no pašreizējām sistēmām
Mūsdienās daudzi cilvēki ar paralīzi, kuri saglabā zināmu acu kontroli, paļaujas uz acu kustību izsekošanas ierīcēm . Šīs sistēmas ļauj viņiem atlasīt burtus vai ikonas, pārvietojot acis pa ekrānu, taču, kā aprakstīja paši pacienti, tās ir lēnas, nogurdinošas lietošanā un pakļautas kļūdām. Daudzos gadījumos lietotāji galu galā pamet tās radītās neapmierinātības dēļ.
BrainGate neiroprotēze izmanto atšķirīgu pieeju: tā vietā, lai izsekotu acu skatienu vai pārvietotu kursoru ar domu, tā koncentrējas uz pirkstu kustību dekodēšanu uz tastatūras, kas ir pazīstama gandrīz jebkuram lasītprasmes cilvēkam. Šai stratēģijai ir divas skaidras priekšrocības: pirmkārt, tā ļauj lietotājiem izmantot motorisko atmiņu, ko daudzi ir attīstījuši gadu gaitā, lietojot fiziskās tastatūras; otrkārt, tā nodrošina lielāku rakstīšanas ātrumu nekā citas augmentatīvās un alternatīvās komunikācijas (AAC) sistēmas.
Turklāt mākslīgā intelekta algoritmu izmantošana gan neironu signāla dekodēšanā, gan valodas modelī veicina uzlabotu precizitāti, neprasot no lietotāja pārmērīgu kognitīvo piepūli. Personai nav jādomā par atsevišķiem burtiem, bet gan jāiedomājas, ka viņa kustina pirkstus tā, it kā viņš faktiski rakstītu.
Pēc pētnieku komandas domām, šī implantējamo sensoru, uzlabotas signālu apstrādes un valodas modeļu kombinācija padara smadzeņu un datora saskarnes par arvien stabilāku alternatīvu esošajiem risinājumiem, vismaz konkrētai pacientu grupai ar smagu paralīzi, kuri neatrod atbilstošu reakciju tradicionālajās sistēmās.
BrainGate konsorcija loma un nākotnes prognozes
Šīs neiroprotēzes izstrāde ir daļa no BrainGate konsorcija darba , kas kopš 2004. gada apvieno neirologus, neirozinātniekus, inženierus, datorzinātniekus, neiroķirurgus, matemātiķus un citus speciālistus no dažādām akadēmiskām iestādēm. Viņu kopīgais mērķis ir radīt tehnoloģijas, kas ļautu cilvēkiem ar neiroloģiskām slimībām, muguras smadzeņu traumām vai amputācijām atgūt zaudētās funkcijas .
Pēdējo divu desmitgažu laikā BrainGate kontrolētos pētījumos ir pierādījis, ka smadzeņu un datora saskarnes var izmantot, lai vadītu kursorus, robotizētas rokas vai ārējas ierīces, izmantojot smadzeņu aktivitāti. Jaunpublicētais atklājums īpaši koncentrējas uz rakstisko saziņu, kas ir galvenā joma tiem, kuri ir zaudējuši gan spēju runāt, gan spēju izmantot fizisko tastatūru.
Izmēģinājuma vadītāji uzsver, ka tehnoloģija joprojām ir pētniecības fāzē. Joprojām jāatrisina tādi jautājumi kā implantu izturība , signālu stabilitāte laika gaitā, iespējamie ar operāciju saistītie riski, mājas sistēmu lietošanas ērtums un to saderība ar veselības aprūpes finansējumu, tostarp Eiropas sistēmām.
Pat ar šiem piesardzības pasākumiem komanda uzskata, ka šī ierīce paver nozarei iespēju vidējā termiņā izstrādāt neiroprotēžu komerciālas versijas, kas pielāgotas pacientiem ar dažādiem paralīzes veidiem. Konsorcijs uzsver, ka sadarbība starp akadēmiskajiem centriem un uzņēmumiem būs galvenais, lai šos eksperimentālos rezultātus pārvērstu reālos klīniskajos risinājumos.
Atbilstība pacientiem Eiropā un gaidāmie izaicinājumi
Lai gan pētījums tika veikts Amerikas Savienotajās Valstīs, tā ietekme ir tieši saistīta ar cilvēkiem ar ALS, muguras smadzeņu traumām vai insultu Eiropā, tostarp Spānijā, kur iedzīvotāju novecošanās un neirodeģeneratīvo slimību pieaugums gadu no gada palielina pieprasījumu pēc komunikācijas palīdzības tehnoloģijām.
Veselības aprūpes sistēmās, piemēram, Spānijas sistēmā, kurā ir spēcīga publiskā komponente, šāda veida izstrādes parasti tiek vērtētas ne tikai pēc to klīniskās efektivitātes, bet arī pēc to izmaksu efektivitātes un spējas integrēties neiroloģiskās rehabilitācijas un mājas aprūpes tīklos. Smadzeņu un datoru saskarņu funkcionēšanas iespēja mājas vidē veicina to ieviešanu nākotnē, ja vien aprīkojums tiek vienkāršots un komponenti kļūst pieejamāki.
Raugoties nākotnē, pētnieki ierosina vairākus uzlabošanas ceļus. Viens no tiem ietver pielāgotu tastatūru vai steganogrāfijas sistēmu ieviešanu , kas ļautu vēl ātrāk rakstīt; otrs ir izmantot to pašu tehnoloģiju, lai mēģinātu atjaunot sniedzšanās un satveršanas kustības cilvēkiem ar augšējo ekstremitāšu paralīzi, izmantojot jau identificētos neironu aktivitātes modeļus.
Tiek runāts arī par šo saskarņu apvienošanu ar citiem atbalsta rīkiem, piemēram, ekrāna lasītājiem, balss asistentiem vai mājas automatizācijas ierīcēm, lai radītu pieejamāku dzīves vidi tiem, kuri pārvietojas ratiņkrēslā vai kuriem nepieciešama nepārtraukta aprūpe. To visu vada viens un tas pats princips: cilvēka smadzeņu atkārtota savienošana ar apkārtējo pasauli, kad viņa ķermenis ir pārstājis reaģēt.
Kopumā šis jaunais klīniskais pētījums parāda, ka implantējama smadzeņu un datora saskarne var nodrošināt cilvēkiem ar smagu paralīzi rakstiskas saziņas veidu, kas ir pietiekami ātrs, precīzs un stabils ikdienas lietošanai, kas ir svarīgs solis ceļā uz risinājumiem, kas ne tikai pagarina dzīvi, bet arī nodrošina lielāku autonomiju un sociālo mijiedarbību.