Учёные впервые расшифровали произвольные слова в мозге

Учёные впервые расшифровали произвольные слова в мозге

Новый эксперимент приближает время, когда парализованные люди смогут полноценно общаться при помощи декодируемой мысленной речи. Возможно, развиваемый метод также пригодится для налаживания связи с пациентами, находящимися в коме или состоянии минимального сознания. Пока, правда, технология сырая и делает первые шаги.

Брайан Пэйсли (Brian Pasley), Роберт Найт (Robert Knight) и их коллеги из Калифорнийского университета в Беркли воспользовались помощью 15 пациентов, которым делали операции на мозге в связи с опухолью или эпилепсией.

Этим добровольцам вживили 256 электродов в верхнюю (STG) и среднюю (MTG) височные извилины, где находятся зоны, отвечающие за восприятие звуков, в том числе – понимание речи.

Учёные решили прояснить, как реагируют клетки в этих областях, когда человек слышит слова. А дальше авторы работы составили программу, способную синтезировать звуки по картине активности коры.

Общий подход, применённый калифорнийской командой, был идентичен тому, что использовался в опыте с чтением из мозга зрительных образов.

Сначала испытуемые прослушивали по 5-10 минут разговоров, а в это время компьютер записывал сигналы с электродов. Затем, после наработки обширной библиотеки соответствий, исследователи создали две пробные модели, способные реконструировать звуки, которые слышит пациент, по одной лишь активности нейронов.

При этом учёные выявили в картине отклика клеток реакцию на узкие полосы звуковых частот. Потому программа не узнавала отдельные шаблонные слова путём простого сравнения, но спускалась на уровень глубже – она восстанавливала спектрограмму слов. И важно, что это могли быть слова, ранее не использованные в эксперименте.

Схема эксперимента. Электроды на поверхности коры (красные точки справа) записывают сигнал от нейронов в то время, когда человек слушает речь в динамиках (образец слева). Изменение потенциала во времени (внизу справа) накладывается на модель реконструкции звука (внизу в центре).

В результате компьютер выдаёт восстановленную спектрограмму (внизу слева). Она показывает распределение мощности акустического сигнала (отражено цветом на диаграмме) в зависимости от частоты (шкала по вертикали, кГц) и времени (по горизонтали, секунды) (иллюстрация Brian N. Pasley et al./ PLoS Biology).

Для проверки правильности реконструкции синтезированная спектрограмма сравнивалась со спектрограммой воспроизведённого через динамики исходного слова, а ещё – переводилась в реальный звук.

Оказалось, что машина позволяет восстанавливать произвольное слово с приемлемой степенью похожести (что оценивалась и на слух) после всего одного предъявления этого слова испытуемому.

(Подробности эксперимента можно найти в статье в PLoS Biology.)

«У этой работы двухсторонний характер. — заявил Найт. – Это фундаментальная наука, понимание того, как работает мозг. А цель – протезы для людей с нарушениями речи. Аппарат воспроизводил бы то, что они не могут произнести, но могут представить, что они хотят сказать».

Пэйсли пояснил идею: «Существует ряд доказательств, что при прослушивании звука и воображении звука активируются аналогичные области головного мозга. Если вы можете понять отношения между мозговой записью и звуками, вы способны либо синтезировать звук, о котором человек думает, либо просто написать слова».

Брайан сравнил данную технику со способностями профессионального пианиста, который может просто смотреть на клавиши под пальцами другого музыканта, находящегося в звуконепроницаемой комнате, и «слышать» музыку.

А) Шесть слов для примера. Вверху — исходные спектрограммы, внизу – реконструированные. Шкалы: килогерцы по вертикали, секунды по горизонтали. B) Отклик нейронов на один из звуковых образцов. C) Распределение веса сигналов от разных групп клеток (цветная шкала) в модели реконструкции звука. Пунктирный прямоугольник – область с задействованными в опыте электродами. Масштабная линейка – 1 см (иллюстрация Brian N. Pasley et al./ PLoS Biology).

Добавим, что исследователи не первый раз экспериментируют с сопоставлением услышанных или произносимых про себя слов с рисунком активности нейронов. Ранее учёные уже записывали отпечатки звуков в коре головного мозга и извлекали из головы парализованного и немого человека отдельные форманты.

Распознавание нескольких слов тоже достигнуто. Но словарный запас той программы невелик, да и точность работы невысока.

Источник: membrana.ru

Похожие новости:
В человеческом мозге обнаружен центр самооценки
Японские ученые обнаружили в мозге человека «центр чувства собственного превосходства». По их мнению, он расположен во фронтальной коре и полосатом теле мозга, сообщает 26 февраля «Российская газета» со ссылкой на РИА Новости. Удивительное открытие сделала группа биологов из Национального института радиологии в Чибе. ..
2013-02-26 2084 0 Научные открытия
0
Виртуальный микроскоп установит связи в мозге мыши
Проект по определению нейронных связей в мозге мышей "Mouse Brain Architecture Project" выложил первые полученные данные в открытый доступ. Рассмотреть фотографии можно на сайте проекта, подробности его работы приводит Nature News. Главной задачей проекта является создание ..
2012-06-26 1432 0 Научные открытия
0
Клеток в мозге человека гораздо меньше, чем прежде считали
Специалисты в области неврологии давно установили, что человеческий мозг содержит 100 миллиардов нейронов, однако новый анализ показал, что их на самом деле на 14 миллиардов меньше. В действительности в мозге каждого человека находится не более 86 миллиардов нейронов, согласно новым сведениям бразильского ..
2012-03-12 2117 0 Научные открытия
0
Раковый белок необходим мозгу для восстановления
Исследователи из университета Копенгагена обнаружили, что белок, ранее известный лишь благодаря участию в процессе распространения раковых клеток в организме, также играет роль в восстановительных процессах в мозге. Открытие может помочь ученым в определении новых направлений исследований в области ..
2012-11-20 1623 0 Научные открытия
0
Ученые смогли включить нейрогенез в поврежденном спинном мозге
Биологи из Медицинского центра Университета Техаса научились включать в поврежденном спинном мозге процесс перепрограммирования клеток глии в новые нейроны. Работа ученых опубликована в журнале Nature Communications, кратко о ней можно прочитать в пресс-релизе центра. Заставить дифференцированные астроциты взрослых ..
2014-02-27 1624 0 Научные открытия
0
Ученые создали программу для чтения мыслей
Американские ученые из Калифорнийского университета в Беркли нашли способ читать мысли и при необходимости трансформировать их в слова. Они отметили, что новая разработка в первую очередь призвана помочь людям, которые потеряли возможность разговаривать вследствие определенного заболевания. В ходе эксперимента ученые ..
2012-02-11 2684 2 Научные открытия
2
Впервые открыт механизм восстановления нервных клеток после инсульта
Шведские ученые открыли доселе неизвестный механизм, благодаря которому мозг после инсульта вырабатывает новые нервные клетки. Результаты исследования представлены в журнале Science, а кратко о нем сообщается в пресс-релизе Лундского университета. Обычно причиной ишемического инсульта является закупорка ..
2014-10-13 2615 0 Научные открытия
1
Ученые: нейронные сети мозга могут включать друг друга
Механизмы взаимного включения и выключения общефункциональных систем нейронов (нейронных сетей) были предсказаны при экспериментах на животных. Группе ученых из Стэндфордского университета удалось впервые выявить такой механизм в человеческом мозге, а также искусственно активировать его. Возбуждение «активных» нейронных ..
2013-11-29 2358 0 Научные открытия
0
Ученые обнаружили новую систему очистки мозга
Американские ученые обнаружили новую систему, при помощи которой производится очистка тканей головного мозга от продуктов жизнедеятельности. Они назвали открытую ими систему глимфатической, сообщает Medical Xpress. Результаты работы группы неврологов, проведенной под руководством доктора медицинских наук ..
2012-08-17 1909 0 Научные открытия
0
В основе строения мозга нашли строгий порядок
Нейробиологи создали трехмерную карту связей нейронов в мозге человека и четырех видов обезьян, обнаружив строгую локальную упорядоченность. Оказалось, что белое вещество представляет собой трехмерную ткань, где волокна располагаются перпендикулярно друг другу. Работа опубликована в журнале ..
2012-03-30 1871 1 Научные открытия
0
Биологи разглядели работу нейронов в мозге малька
Биологи научились видеть работу нейронов в мозге свободно движущихся животных и проследили затем, о чем думает малёк данио-рерио во время охоты на инфузорию. Работа опубликована в журнале Current Biology группы Cell, а ее краткое содержание пересказывает ScienceNow. Метод основан на использовании ..
2013-02-2 1832 0 Научные открытия
0
Ученые расшифровали SOS-сигналы нейронов
Ученые установили, как именно поврежденные нейроны привлекают к себе клетки микроглии, помогающие регенерации нервной ткани. Работа опубликована в журнале Developmental Cell, ее краткое содержание приводит ScienceNow. Биологи работали на модельном объекте - мозге рыбки данио-рерио (zebrafish, Danio ..
2012-05-25 2112 0 Научные открытия
1
Защитники мозга оказались его врагами
Ученые из Института Солка обнаружили белки, которые помогают держать головной мозг «в чистоте», убирая из него мертвые нейроны. Ими оказались рецепторы специальных иммунных клеток, которые при некоторых нейродегенеративных заболеваниях, наоборот, начинают ускорять разрушение мозга. Исследование ..
2016-04-08 2334 0 Научные открытия
2
Ученые обнаружили метод избавления мозга от мусора
Научные работники сразу из нескольких институтов выявили еще неизвестный еще для науки механизм, с помощью которого мозг может «избавляться» от «мусора». Стоит подчеркнуть, собственно в человеческом организме любой орган изготавливает «мусор» и мозг не выбился из привычных рамок. Конечно, собственно процесс ..
2012-09-8 2945 0 Научные открытия
0
В мозге обнаружили производство женских половых гормонов
Группа американских исследователей обнаружила, что мозг может производить женский половой гормон эстрадиол. Подробности приведены в статье специалистов из Национального центра изучения приматов в Висконсине для The Journal of Neuroscience. Кратко о работе ученых рассказывает Medical Express. Открытие было сделано ..
2013-12-25 1301 0 Научные открытия
0