Επιστήμονες ξεκλειδώνουν το μυστικό του πώς ο εγκέφαλος κωδικοποιεί τον λόγο

Άτομα όπως ο Stephen Hawking μπορούν να σκέφτονται σχετικά με αυτό που θα ήθελαν να πουν, όμως δεν μπορούν να μιλήσουν επειδή οι μύες τους έχουν παραλύσει. Για να επικοινωνήσουν μπορούν να χρησιμοποιήσουν συσκευές που «αισθάνονται» το μάτι ενός προσώπου ή ελέγχουν κινήσεις για να προφέρουν τις λέξεις με ένα γράμμα τη φορά. Ωστόσο, η διαδικασία αυτή είναι αργή και αφύσικη. Οι επιστήμονες θέλουν να βοηθήσουν αυτά τα άτομα που έχουν παραλύσει τελείως, ή έχουν «εγκλωβιστεί», να επικοινωνήσουν ενστικτωδώς αναπτύσσοντας μια διεπαφή (interface) εγκεφάλου μηχανής (BMI) για να αποκωδικοποιεί τις εντολές που ο εγκέφαλος στέλνει σε γλώσσα, ουρανίσκο, χείλη και λάρυγγα. Με άλλα λόγια, το άτομο θα προσπαθεί απλά να λέει τη λέξη και η διεπαφή (BMI) θα τη μεταφράζει σε λόγο.

Νέα έρευνα [σε Northwestern Medicine και Weinberg College of Arts and Sciences] έχει φέρει την επιστήμη πλησιέστερα στο να δημιουργήσει διεπαφές λόγου εγκεφάλου μηχανής, ξεκλειδώνοντας νέες πληροφορίες σχετικές με το πώς ο εγκέφαλος κωδικοποιεί το λόγο. Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι ο εγκέφαλος ελέγχει την παραγωγή λόγου με έναν τρόπο παρόμοιο με τον τρόπο που ελέγχει την παραγωγή των κινήσεων των χεριών. Για να το πετύχουν αυτό, οι ερευνητές κατέγραψαν σήματα από τα δυο μέρη του εγκεφάλου και αποκωδικοποίησαν τι αντιπροσώπευαν αυτά τα σήματα. Οι επιστήμονες βρήκαν ότι ο εγκέφαλος αναπαριστάνει τόσο τους στόχους αυτών που προσπαθούμε να πούμε (ήχους φωνημάτων όπως «πα» και «μπα») όσο και τις μεμονωμένες κινήσεις που χρησιμοποιούμε για να πετύχουμε αυτούς τους στόχους (πώς κινούμε τα χείλη, τον ουρανίσκο, τη γλώσσα και το λάρυγγά μας). Στα δυο διαφορετικά μέρη του εγκεφάλου συμβαίνουν διαφορετικές αναπαραστάσεις.

«Αυτό μπορεί να μας βοηθήσει να κατασκευάσουμε καλύτερους αποκωδικοποιητές λόγου για τις BMIs, πράγμα που θα μας πάει πιο κοντά στο στόχο για βοήθεια στους ανθρώπους που είναι εγκλωβισμένοι, ώστε να μιλήσουν και πάλι», αναφέρει ο Dr. Marc Slutzky, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης. Η μελέτη δημοσιεύθηκε 26 Σεπτεμβρίου στο Journal of Neuroscience.

Η ανακάλυψη θα μπορούσε δυνητικά να βοηθήσει επίσης τους ανθρώπους με άλλες διαταραχές λόγου, όπως η λεκτική απραξία, η οποία εμφανίζεται σε παιδιά καθώς και μετά από εγκεφαλικό στους ενήλικες. Στη λεκτική απραξία, ένα άτομο έχει δυσκολία στη μετάφραση λεκτικών μηνυμάτων από τον εγκέφαλο στη γλώσσα που μιλάει.

Πώς μεταφράζονται οι λέξεις από τον εγκέφαλο σε λόγο

Ο λόγος συγκροτείται από μεμονωμένους ήχους, που καλούνται φωνήματα, που παράγονται από συντονισμένες κινήσεις (gestures) χειλιών, γλώσσας, ουρανίσκου και λάρυγγα. Ωστόσο, οι επιστήμονες δεν γνώριζαν ακριβώς πώς αυτές οι κινήσεις, που αποκαλούνται αρθρωτικές, σχεδιάζονται από τον εγκέφαλο. Ιδιαιτέρως, δεν ήταν πλήρως κατανοητό πώς ο εγκεφαλικός φλοιός ελέγχει την παραγωγή λόγου και δεν είχε εμφανιστεί κανένα στοιχείο αναπαράστασης κίνησης στον εγκέφαλο. «Υποθέταμε ότι οι περιοχές ενεργοποίησης λόγου του εγκεφάλου θα είχαν μια οργάνωση παρόμοια με τις περιοχές του εγκεφάλου για την ενεργοποίηση του χεριού», αναφέρει ο Slutzky. «Ο προκεντρικός φλοιός θα αναπαριστά κινήσεις των χειλιών, της γλώσσας, του ουρανίσκου και του λάρυγγα και το υψηλότερο επίπεδο της φλοιώδους περιοχής θα αναπαριστά σε μεγαλύτερη έκταση τα φωνήματα».

Αυτό ακριβώς είναι που βρήκαν. «Μελετήσαμε τα δυο μέρη του εγκεφάλου που βοηθούν για την παραγωγή του λόγου», είπε ο Slutzky. «Ο προκεντρικός φλοιός αναπαριστούσε τις κινήσεις σε μεγαλύτερη έκταση από ότι τα φωνήματα. Ο κάτω μετωπικός φλοιός, που είναι υψηλότερου επιπέδου περιοχή λόγου, αναπαριστούσε τόσο τα φωνήματα, όσο και τις κινήσεις».

Κουβεντιάζοντας με ασθενείς σε εγχείρηση εγκεφάλου για την αποκωδικοποίηση των εγκεφαλικών τους σημάτων

Οι επιστήμονες κατέγραψαν εγκεφαλικά σήματα από τη φλοιώδη επιφάνεια χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια τοποθετημένα σε ασθενείς που υποβλήθηκαν σε εγχείρηση εγκεφάλου για την απομάκρυνση όγκων στον εγκέφαλο. Οι ασθενείς έπρεπε να είναι ξύπνιοι κατά τη διάρκεια του χειρουργείου τους και έτσι οι ερευνητές τους ζήτησαν να διαβάσουν λέξεις από μια οθόνη. Μετά το χειρουργείο, οι επιστήμονες σημείωσαν τους χρόνους όταν οι ασθενείς παρήγαγαν φωνήματα και κινήσεις (gestures). Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν τα εγκεφαλικά σήματα που κατέγραψαν από κάθε φλοιώδη περιοχή για να αποκωδικοποιήσουν ποια φωνήματα και ποιες κινήσεις παράγονταν και μέτρησαν την ακρίβεια αποκωδικοποίησης.

Τα εγκεφαλικά σήματα στον προκεντρικό φλοιό ήταν περισσότερο ακριβή στην αποκωδικοποίηση των κινήσεων από ότι στην αποκωδικοποίηση των φωνημάτων, ενώ αυτά στον κάτω μετωπικό φλοιό ήταν το ίδιο καλά στην αποκωδικοποίηση τόσο των φωνημάτων όσο και των κινήσεων. Η πληροφορία αυτή βοήθησε να υποστηριχθούν γλωσσικά μοντέλα παραγωγής λόγου. Θα βοηθήσουν επίσης για να οδηγήσουν μηχανικούς στο σχεδιασμό διεπαφών εγκεφάλου μηχανής (BMI) για να αποκωδικοποιηθεί λόγος από αυτές τις εγκεφαλικές περιοχές.

Το επόμενο βήμα για την έρευνα είναι να αναπτυχθεί ένας αλγόριθμος για BMIs που δεν θα αποκωδικοποιούν μόνο κινήσεις, αλλά επίσης θα συνδυάζουν αυτές τις κινήσεις που αποκωδικοποιήθηκαν για να σχηματίζουν λέξεις.