Εμφύτευμα στον εγκέφαλο μεταφράζει τις σκέψεις σε κείμενο

Ένας άνδρας που έμεινε παράλυτος από τον αυχένα και κάτω λόγω τραυματισμού του νωτιαίου μυελού που υπέστη το 2007, έδειξε ότι μπορεί να επικοινωνήσει τις σκέψεις του, χάρη σε ένα εμφύτευμα εγκεφάλου που μεταφράζει τη φανταστική του γραφή σε πραγματικό κείμενο.

Η συσκευή – μέρος μιας μακροχρόνιας ερευνητικής συνεργασίας που ονομάζεται BrainGate – είναι μια διεπαφή εγκεφάλου-υπολογιστή (BCI), που χρησιμοποιεί τεχνητή νοημοσύνη (ΤΝ) για να ερμηνεύει τα σήματα νευρικής δραστηριότητας που παράγονται κατά τη διάρκεια της γραφής.

Σε αυτή την περίπτωση, ο άνδρας – που ονομαζόταν T5 στη μελέτη και ήταν 65 ετών την εποχή της έρευνας – δεν έγραφε καθόλου, καθώς το χέρι του, μαζί με όλα του τα άκρα, είχαν παραλύσει για αρκετά χρόνια.

Αλλά κατά τη διάρκεια του πειράματος, που αναφέρθηκε στο περιοδικό Nature νωρίτερα μέσα στο έτος, ο άνδρας συγκεντρώθηκε σαν να έγραφε – ουσιαστικά, σκεπτόμενος να φτιάξει τα γράμματα με ένα φανταστικό στυλό και χαρτί.

ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΑΚΟΜΑ

Καθώς το έκανε αυτό, τα ηλεκτρόδια που εμφυτεύτηκαν στον κινητικό του φλοιό κατέγραψαν σήματα της εγκεφαλικής του δραστηριότητας, τα οποία στη συνέχεια ερμηνεύτηκαν από αλγόριθμους που εκτελούνται σε έναν εξωτερικό υπολογιστή, αποκωδικοποιώντας τις φανταστικές τροχιές του στυλό του Τ5, οι οποίες εντόπιζαν νοερά τα 26 γράμματα του αλφαβήτου και μερικά βασικά σημεία στίξης.

«Αυτό το νέο σύστημα χρησιμοποιεί τόσο την πλούσια νευρωνική δραστηριότητα που καταγράφεται από τα ενδοφλοιώδη ηλεκτρόδια όσο και τη δύναμη των μοντέλων γλώσσας που, όταν εφαρμοστούν στα νευρικά αποκωδικοποιημένα γράμματα, μπορούν να δημιουργήσουν γρήγορο και ακριβές κείμενο», λέει ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης Frank Willett, ερευνητής νευρωνικής προσθετικής από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ.

Παρόμοια συστήματα που αναπτύχθηκαν ως μέρος του BrainGate μεταγράφουν τη νευρωνική δραστηριότητα σε κείμενο εδώ και αρκετά χρόνια, αλλά πολλές προηγούμενες διεπαφές έχουν επικεντρωθεί σε διαφορετικές εγκεφαλικές μεταφορές για τον προσδιορισμό των χαρακτήρων που πρέπει να γραφτούν – όπως η πληκτρολόγηση point-and-click με δρομέα υπολογιστή που ελέγχεται από το μυαλό.

Ωστόσο, δεν ήταν γνωστό πόσο καλά θα μπορούσαν να διατηρηθούν στον εγκέφαλο οι νευρικές αναπαραστάσεις του χειρογράφου –μια πιο γρήγορη και επιδέξια κινητική δεξιότητα– ούτε πόσο καλά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να επικοινωνήσουν με το εμφύτευμα.

Εδώ, ο T5 έδειξε πόσες υποσχέσεις θα μπορούσε να προσφέρει ένα εικονικό σύστημα γραφής σε άτομα που έχουν χάσει σχεδόν κάθε ανεξάρτητη φυσική κίνηση.

A diagram of how the system works. (F. Willett et al., Nature, 2021, Erika Woodrum)
Διάγραμμα το πως λειτουργεί το σύστημα. (F. Willett et al., Nature, 2021, Erika Woodrum)

Σε δοκιμές ο άνδρας κατάφερε να επιτύχει ταχύτητες γραφής 90 χαρακτήρων ανά λεπτό (περίπου 18 λέξεις ανά λεπτό), με περίπου 94 τοις εκατό ακρίβεια (και έως 99 τοις εκατό ακρίβεια με ενεργοποιημένη την αυτόματη διόρθωση).

Όχι μόνο αυτός ο ρυθμός είναι σημαντικά ταχύτερος από προηγούμενα πειράματα BCI (χρησιμοποιώντας πράγματα όπως εικονικά πληκτρολόγια), αλλά είναι σχεδόν στο ίδιο επίπεδο με την ταχύτητα πληκτρολόγησης των χρηστών smartphone στην ηλικιακή ομάδα του άνδρα – που είναι περίπου 115 χαρακτήρες ή 23 λέξεις ανά λεπτό, αναφέρουν οι ερευνητές.

Έχουμε μάθει ότι ο εγκέφαλος διατηρεί την ικανότητά του να υπαγορεύει λεπτές κινήσεις μια ολόκληρη δεκαετία αφότου το σώμα έχει χάσει την ικανότητά του να εκτελεί αυτές τις κινήσεις“, λέει ο Willett.

Και μάθαμε ότι οι περίπλοκες επιδιωκόμενες κινήσεις που περιλαμβάνουν μεταβαλλόμενες ταχύτητες και καμπύλες τροχιές, όπως το χειρόγραφο, μπορούν να ερμηνευτούν πιο εύκολα και πιο γρήγορα από τους αλγόριθμους τεχνητής νοημοσύνης που χρησιμοποιούμε από ό,τι απλούστερες προβλεπόμενες κινήσεις όπως η κίνηση του δρομέα σε ευθεία διαδρομή με σταθερή ταχύτητα“.

Βασικά, οι ερευνητές λένε ότι τα γράμματα διαφέρουν πολύ μεταξύ τους στο σχήμα, επομένως η ΤΝ μπορεί να αποκωδικοποιήσει την πρόθεση του χρήστη πιο γρήγορα καθώς σχεδιάζονται οι χαρακτήρες, σε σύγκριση με άλλα συστήματα BCI που δεν χρησιμοποιούν δεκάδες διαφορετικές εισόδους στο με τον ίδιο τρόπο.

Η φανταστική γραφή του άντρα, όπως την ερμηνεύει το σύστημα. (Frank Willett)

Παρά τις δυνατότητες αυτής της πρώτης στο είδος της τεχνολογίας, οι ερευνητές τονίζουν ότι το τρέχον σύστημα είναι μόνο μια απόδειξη της ιδέας μέχρι στιγμής, αφού έχει αποδειχθεί ότι λειτουργεί μόνο με έναν συμμετέχοντα, επομένως σίγουρα δεν είναι ένα πλήρες, κλινικά βιώσιμο προϊόν ακόμη.

Τα επόμενα βήματα της έρευνας θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν εκπαίδευση άλλων ατόμων να χρησιμοποιούν το εμφύτευμα, επέκταση του συνόλου χαρακτήρων ώστε να περιλαμβάνει περισσότερα σύμβολα (όπως κεφαλαία γράμματα), βελτίωση της ευαισθησίας του συστήματος και προσθήκη πιο εξελιγμένων εργαλείων επεξεργασίας για τον χρήστη.

Υπάρχει πολλή δουλειά που πρέπει να γίνει ακόμα, αλλά θα μπορούσαμε να δούμε μια συναρπαστική νέα εξέλιξη εδώ, δίνοντας τη δυνατότητα να επικοινωνήσουμε ξανά με τους ανθρώπους που την έχασαν μέσα από ένα εμφύτευμα.

Τα αποτελέσματά μας ανοίγουν μια νέα προσέγγιση για τα BCI και καταδεικνύουν τη σκοπιμότητα της ακριβούς αποκωδικοποίησης γρήγορων, επιδέξιων κινήσεων χρόνια μετά την παράλυση“, γράφουν οι ερευνητές.

Πιστεύουμε ότι το μέλλον των ενδοφλοιικών BCI είναι λαμπρό“.

Επιστημονικό Άρθρο:

Francis R. Willett, Donald T. Avansino, Leigh R. Hochberg, Jaimie M. Henderson, Krishna V. Shenoy,
High-performance brain-to-text communication via handwriting, Nature, 2021.


Λίγα λόγια για τον συντάκτη

Δημοσθένης Γκερλιώτης

Σπούδασα Ιστορία και Φιλοσοφία της Επιστήμης (Ε.Κ.Π.Α.) με μεταπτυχιακή ειδίκευση στις σπουδές Επιστήμης και Τεχνολογίας (STS), τα ενδιαφέροντα μου είναι τα θέματα Βιοεπιστημών, Τεχνολογίας, Επιστημολογίας.

Εβδομαδιαία ενημέρωση απο το maxmag στο email σου

Η ενημέρωση σου, για όλα τα θέματα, επί παντός επιστητού, είναι προτεραιότητα για μας στο MAXMAG. Αυτός είναι κ ο λόγος, για τον οποίο κάθε εβδομάδα οι συντάκτες μας θα επιλέγουν τα 15 σημαντικότερα άρθρα, από όλες τις στήλες του περιοδικού και θα φροντίζουμε να τα λαμβάνεις απευθείας στο email σου. Όλες οι σημαντικές ειδήσεις θα σε περιμένουν να τις ανοίξεις. Το μόνο που χρειάζεται να κάνεις είναι μια εγγραφή στο Newsletter μας. Τι περιμένεις λοιπόν;