Otak Berbicara: Para ilmuwan Menemukan Decode Kata-kata dari Sinyal Otak (Brain Signals)

Livejurnal69 - Dalam sebuah langkah awal menuju membiarkan orang-orang lumpuh sangat berbicara dengan pikiran mereka, peneliti Universitas Utah sinyal otak diterjemahkan ke dalam kata-kata dengan menggunakan dua grid dari 16 microelectrodes ditanamkan di bawah tengkorak, tapi di atas otak.
"Kami telah mampu decode kata yang diucapkan menggunakan sinyal hanya dari otak dengan perangkat yang memiliki janji untuk penggunaan jangka panjang pada pasien lumpuh yang tidak bisa bicara sekarang," kata Bradley Greger, asisten profesor dari bioteknologi.

Karena metode peningkatan kebutuhan lebih banyak dan melibatkan menempatkan elektroda di otak, ia mengharapkan akan beberapa tahun sebelum uji klinis pada orang-orang lumpuh yang tidak dapat berbicara karena apa yang disebut "sindrom terkunci-dalam."

Journal of Engineering edisi September Syaraf adalah penerbitan studi Greger yang menunjukkan kelayakan untuk menerjemahkan sinyal otak dengan kata-kata yang diucapkan komputer.

University of Utah tim peneliti ditempatkan grid dari microelectrodes kecil atas pidato di pusat otak seorang sukarelawan dengan serangan epilepsi yang parah. Orang itu sudah memiliki craniotomy - penghapusan tengkorak sementara parsial - sehingga dokter dapat tempat yang lebih besar, elektroda konvensional untuk menemukan sumber kejang dan pembedahan menghentikan mereka.

Menggunakan microelectrodes percobaan, para ilmuwan merekam sinyal otak sebagai pasien dibaca berulang kali setiap 10 kata yang mungkin bisa bermanfaat kepada orang lumpuh: ya, tidak, panas, dingin, lapar, haus, halo, selamat tinggal, lebih dan kurang.

Kemudian, mereka mencoba mencari tahu yang mewakili sinyal otak masing-masing dari 10 kata. Ketika mereka membandingkan setiap dua sinyal otak - seperti yang dihasilkan ketika pria itu mengucapkan kata-kata "ya" dan "tidak" - mereka mampu membedakan sinyal otak untuk setiap kata 76 persen menjadi 90 persen dari waktu.

Ketika mereka memeriksa semua pola sinyal 10 otak sekaligus, mereka dapat memilih kata yang benar sinyal satu diwakili hanya 28 persen menjadi 48 persen dari waktu - lebih baik dari kesempatan (yang seharusnya 10 persen), tetapi tidak cukup baik untuk perangkat untuk menerjemahkan pikiran orang lumpuh itu dengan kata-kata yang diucapkan oleh komputer.

"Ini adalah bukti dari konsep," kata Greger, "Kami telah terbukti sinyal-sinyal ini dapat memberitahu Anda apa yang orang katakan di atas kesempatan Tapi kita harus mampu melakukan lebih banyak kata dengan akurasi lebih sebelum sesuatu. Pasien benar-benar mungkin menemukan berguna. "

Orang yang pada akhirnya dapat keuntungan dari perangkat nirkabel yang mengubah pikiran dalam kata-kata yang diucapkan-berbicara komputer termasuk yang lumpuh oleh stroke, penyakit Lou Gehrig dan trauma, Greger kata. Orang yang sekarang "terkunci dalam" sering berkomunikasi dengan setiap gerakan mereka dapat membuat - kedipan mata atau pindah tangan sedikit - untuk memilih berat, huruf atau kata-kata dari daftar.

Universitas Utah rekan yang melakukan penelitian dengan Greger termasuk insinyur listrik Kellis Spencer, mahasiswa program doktor, dan Richard Brown, dekan College of Engineering, dan Paul House, asisten profesor bedah saraf. rekan penulis lain adalah Kai Miller, seorang ilmuwan syaraf di University of Washington di Seattle.

Penelitian ini didanai oleh National Institutes of Health, Pertahanan Advanced Research Projects Agency, University of Utah Research Foundation dan National Science Foundation.

Microelectrodes Nonpenetrating Baca Pidato Sinyal Otak

Penelitian ini menggunakan jenis baru nonpenetrating microelectrode yang duduk di otak tanpa menusuk ke dalamnya. Elektroda ini dikenal sebagai microECoGs karena mereka adalah versi kecil dari elektroda jauh lebih besar digunakan untuk electrocorticography, atau ECoG, mengembangkan setengah abad lalu.

Untuk pasien dengan serangan epilepsi parah yang tidak terkontrol dengan pengobatan, dokter bedah menghapus bagian dari tengkorak dan tempat tikar silikon berisi elektroda ECoG selama otak selama berhari-hari untuk minggu sementara tempurung kepala diadakan di tempat tapi tidak disambungkan. Elektroda ECoG tombol berukuran tidak menembus otak tapi mendeteksi aktivitas listrik tidak normal dan memungkinkan ahli bedah untuk mencari dan menghapus sebagian kecil dari otak menyebabkan kejang.

Tahun lalu, Greger dan rekan menerbitkan sebuah studi menunjukkan microECoG elektroda jauh lebih kecil bisa "membaca" sinyal otak mengontrol gerakan lengan. Salah satu pasien epilepsi yang terlibat dalam penelitian yang juga secara sukarela untuk studi baru.

Karena microelectrodes tidak menembus masalah otak, mereka dianggap aman untuk ditempatkan di wilayah pidato otak - sesuatu yang tidak dapat dilakukan dengan penetrasi elektroda yang telah digunakan dalam perangkat eksperimen untuk membantu orang lumpuh kontrol kursor komputer atau lengan buatan .

Elektroda EEG digunakan pada tengkorak untuk merekam gelombang otak terlalu besar dan merekam sinyal otak terlalu banyak untuk digunakan dengan mudah untuk decoding sinyal suara dari orang-orang lumpuh.

Sinyal saraf menerjemahkan ke dalam Kata

Dalam studi baru, microelectrodes digunakan untuk mendeteksi sinyal-sinyal listrik yang lemah dari otak yang dihasilkan oleh beberapa ribu sel-sel saraf atau neuron.

Setiap dua grid dengan 16 microECoGs spasi 1 milimeter (kira-kira 25 cm) terpisah, ditempatkan di atas salah satu dari dua daerah pidato otak: Pertama, wajah korteks motor, yang mengontrol gerakan mulut, bibir, lidah dan wajah - pada dasarnya otot-otot yang terlibat dalam berbicara. Kedua, Area Wernicke, sebagian memahami sedikit dari otak manusia terikat dengan pemahaman dan pengertian bahasa.

Penelitian ini dilakukan selama sesi satu jam pada empat hari berturut-turut. Para peneliti mengatakan kepada pasien epilepsi untuk mengulang salah satu dari 10 kata setiap kali mereka menunjuk pada pasien. Sinyal Otak dicatat melalui dua grid dari microelectrodes. Masing-masing dari 10 kata-kata itu diulang 31-96 kali, tergantung pada bagaimana lelah pasien. Kemudian para peneliti "mencari pola dalam sinyal otak yang sesuai dengan kata-kata yang berbeda" dengan menganalisa kekuatan perubahan frekuensi yang berbeda dalam setiap sinyal saraf, mengatakan Greger.

Para peneliti menemukan bahwa setiap kata yang diucapkan menghasilkan berbagai sinyal otak, sehingga pola elektroda yang paling akurat diidentifikasi bervariasi setiap kata dari kata ke kata. Mereka mengatakan bahwa mendukung teori bahwa jarak dekat microelectrodes dapat menangkap sinyal dari satu, unit pengolahan berbentuk kolom-neuron di otak.

Salah satu temuan yang tak terduga: Ketika pasien mengulangi kata-kata, korteks motor wajah yang paling aktif dan area Wernicke kurang aktif. Namun Area Wernicke "bersinar" ketika pasien mengucapkan terima kasih oleh para peneliti setelah kata-kata yang berulang. Ini menunjukkan Area Wernicke lebih terlibat dalam pemahaman tingkat tinggi bahasa, sementara korteks motor kontrol otot wajah wajah yang membantu menghasilkan suara, Greger kata.

Para peneliti yang paling akurat - 85 persen - dalam membedakan sinyal otak untuk satu kata dari orang lain ketika mereka menggunakan sinyal dicatat dari korteks motor wajah. Mereka kurang akurat - 76 persen - ketika sinyal menggunakan dari Area Wernicke. Menggabungkan data dari kedua daerah tidak meningkatkan keakuratan, menunjukkan bahwa otak sinyal dari daerah Wernicke tidak menambah banyak orang-orang dari korteks motor wajah.

Ketika para ilmuwan memilih lima microelectrodes pada setiap grid 16-elektroda yang paling akurat dalam decoding sinyal otak dari korteks motor wajah, akurasi mereka dalam membedakan salah satu dari dua kata dari lainnya meningkat hampir 90 persen.

Pada uji lebih sulit membedakan sinyal otak untuk satu kata dari sinyal untuk sembilan kata lain, para peneliti pada awalnya adalah akurat 28 persen dari waktu - tidak baik, tapi lebih baik daripada kesempatan acak 10 persen akurasi. Namun, ketika mereka fokus pada sinyal dari lima elektroda yang paling akurat, mereka mengidentifikasi kata yang benar hampir setengah (48 persen) dari waktu.

"Itu tidak berarti masalah sudah benar-benar dipecahkan dan kita semua bisa pulang," kata Greger. "Itu berarti ia bekerja, dan sekarang kita perlu untuk memperbaikinya sehingga orang dengan terkunci-dalam sindrom benar-benar bisa berkomunikasi."

"Langkah selanjutnya jelas - dan ini adalah apa yang kita lakukan sekarang - adalah melakukannya dengan grid microelectrode lebih besar" dengan 121 elektroda mikro dalam grid 11-oleh-11, katanya. "Kita bisa membuat grid yang lebih besar, memiliki lebih banyak elektroda dan mendapatkan sejumlah besar data yang keluar dari otak, yang mungkin berarti lebih banyak kata dan akurasi yang lebih baik."