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:
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 1752 0 Научные открытия
1
Учёные разгадали, как головной мозг усыпляет мышцы
Учёные расшифровали нейрохимический механизм, который подавляет мышечную активность во время сновидений, сообщает "zex2.ru". Исследователи из Университета Торонто (Канада) выяснили, как мозг обездвиживает мышцы во время сна. В норме наши мышцы отдыхают, какие бы насыщенные сны нам ни снились. Но при неврологических недугах, ..
2012-07-19 1554 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 1318 0 Научные открытия
0
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 1727 0 Научные открытия
0
Физики впервые увидели танцы электронов в молекуле
Впервые учёным удалось сфотографировать "танцы электронов" внутри молекулы. Разглядеть "объекты" на микроуровне исследователям помогла комбинация нескольких методов съёмки, пишет BBC News. Революционный прорыв совершили специалисты швейцарского исследовательского подразделения IBM (IBM Research Zurich), которые ранее ..
2012-02-27 2534 0 Научные открытия
0
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 1739 0 Научные открытия
0
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 2186 0 Научные открытия
1
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 1128 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 1774 0 Научные открытия
0
Немцы разработали сверхпроводник, работающий при –70°С
Сверхпроводимость впервые была замечена в металлах, охлажденных до температуры, близкой к абсолютному нулю. Далее стараниями учёных, перебиравших почти все подряд элементы таблицы Менделеева, были найдены такие сверхпроводники, которые работали в жидком азоте (это всё ещё слишком низкая ..
2015-08-24 5188 0 Научные открытия
3
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 1275 0 Научные открытия
0
Физики начали повторные опыты по превышению скорости света
Эксперимент по посылке пучков нейтрино из Швейцарии в Италию, приведший к сенсационным результатам, теперь повторяется с иными начальными условиями. Учёные намерены или убедиться, что имеют дело с превышением константы, или найти ошибку в подсчётах. Напомним, в сентябре 2011 года международная команда учёных объявила, ..
2011-11-1 1706 2 Научные открытия
0
Учёные обнаружили нейроны, подавляющие страх
В ходе эксперимента с лабораторными мышами исследователи обнаружили нейроны, которые препятствуют формированию страшных воспоминаний в гиппокампе. Эти так называемые тормозящие нейроны гарантируют, что нейтральные воспоминания о месте не будут "загрязнены" памятью о неприятном событии, произошедшем в то же время. Учёные во главе с Аттилой Лосонци ..
2014-02-21 1363 0 Научные открытия
0
Специалисты CERN впервые записали спектр антиводорода
Знаковый эксперимент по изучению антиматерии провели физики, работающие в коллаборации ALPHA на Большом адронном коллайдере (БАК). Учёные впервые в мире научились определять свойства антивещества, изучать структуру атомов антиводорода. Напомним, что в мае 2011 года специалисты рапортовали о рекордном удержании ..
2012-03-12 1810 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 2356 2 Научные открытия
2