Глухие слышат, а немые говорят: какие инновационные разработки помогают людям восстанавливать 5 чувств

Что произошло

Команда ученых из Университета Дьюка (США) разработала речевой протез, который позволяет немым людям говорить, считывая сигналы мозга. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

По словам ученых, технология должна помочь пациентам, которые не могут изъясняться из-за неврологических расстройств. Она позволяет общаться, считывая, какими мышцами губ, языка, челюсти и гортани человек хочет двигать, чтобы произнести слово.

Существует множество пациентов, страдающих от изнурительных двигательных расстройств, таких как боковой амиотрофический склероз, которые могут нарушать их способность говорить. Но нынешние средства, позволяющие им общаться, как правило, очень медленные, большие и некомфортные.
Грегори Коган
один из ведущих авторов исследования

Для удобства эксперты создали устройство размером примерно с почтовую марку. Разработка состоит из ультратонкого гибкого пластика с электродами, которые находятся на расстоянии менее 2 мм друг от друга. Они позволяют улавливать сигналы даже от близко расположенных нейронов.

Сейчас скорость декодирования технологии составляет около 78 слов в минуту. Для сравнения: обычные люди произносят порядка 150 слов в минуту.
В рамках исследования ученые временно имплантировали свое устройство четырем пациентам. В итоге эксперты зафиксировали, что некоторые звуки «‎предсказывались»‎ с точностью 84%, однако в сложных ситуациях показатель падал. Средний результат точности декодера составил 40%.

По всему миру миллионы людей страдают от нарушений речи, которые могут быть вызваны как врожденными заболеваниями, так и травмами головного мозга и инсультом. Некоторым немым людям помогают устройства для считывания артикуляции, но парализованные не могут ими воспользоваться.

Мировая практика

За последние годы ученые создали десятки устройств и систем, которые переводят активность мозга пациентов в устную или письменную речь. Большинство из них медленные, неточные и не позволяют передавать эмоции и интонации. Однако в последнее время ученым удалось добиться некоторых успехов.

В 2022-м российские ученые из НИУ ВШЭ и МГМСУ им. Евдокимова разработали систему «‎чтения мыслей»‎, которая не требует вживления большого числа электродов в мозг пациента. Подопытным устанавливали от пяти до девяти проводников с разным числом контактов, считывающих сигналы мозга. В итоге технология смогла предсказывать слова с точностью 55% для первого пациента с одним ЭЭГ-стержнем с шестью контактами и с точностью 70% для второго пациента на основе данных с одной ЭКоГ-полоски с восемью контактами. Эта точность сравнима с результатами, которые до этого показывали устройства, требующие расположения электродов по всей поверхности мозга.
Исследователи из Нью-Йоркского университета в этом году также создали протезы, которые могут считывать активность мозга и декодировать ее в речь. При этом у разработки есть важная особенность — она способна в значительной степени воссоздать голос пациента, используя «‎записи»‎ в мозге человека при помощи сложных нейронных сетей.
Ученые из Стэнфордского университета, в свою очередь, разработали нейроинтерфейс, который может декодировать свыше 60 слов в минуту и имеет словарный запас до 125 тыс. слов. Для этого ученые вживили два набора из 64 мини-электродов в мозг участницы эксперимента.

Контекст

Предпринимаются попытки вернуть людям голос и другими инновационными и нестандартными методами.

В 2019-м исследователи из Университета Цинхуа разработали искусственное горло, прикрепляемое к шее. Оно может преобразовывать движения в звуки. Устройство состоит из тонкого листа пленки из поливинилового спирта, на который нанесли графен. При помощи воды ученые прикрепили изобретение к коже над горлом испытуемого и соединили электродами с небольшой повязкой — на ней находились плата, преобразующая движения в звук, микрокомпьютер, усилитель мощности и декодер. Эксперимент оказался успешным: когда доброволец бесшумно имитировал горловые движения речи, инструмент преобразовывал эти движения в звуки и простые слова.
В 2022-м ученые из того же китайского университета создали растягивающийся датчик, который временно прикрепляется к коже вокруг губ и челюсти пользователя. Он также считывает деформации лица при попытке говорить и преобразует их в звуки.
В 2023-м российские ученые из Первого МГМУ разработали имплант для гортани, который в будущем, вероятно, можно будет вживлять пациентам с нарушениями в речи. У многих таких людей повреждена голосовая складка — часть слизистой оболочки гортани, которая, по сути, позволяет человеку произносить звуки. Имплант, разработанный учеными, обладает регенеративной функцией и сможет замещать в организме поврежденные ткани.

Тенденция

Исследователи по всему миру также тестируют системы, которые в теории смогут вернуть людям другие чувства. Вот некоторые из них.

Осязание

Инженеры из Массачусетского технологического института и Шанхайского университета Цзяо Тонг разработали ‎«надувной»‎ нейропротез кисти руки, который передает тактильные ощущения. Он изготовлен из эластомера EcoFlex.
Искусственная рука представляет собой пять пальцев-баллонов, которые присоединены к напечатанной на 3D-принтере «ладони». Инженеры также оснастили протез обратной тактильной связью с помощью датчиков давления на кончиках пальцев. При прикосновении к поверхности или сжатии предмета они подают электрический сигнал, соответствующий оказываемому давлению.

Зрение

В феврале 2022 года ученые из Австралии сообщили об успешных испытаниях устройства Phoenix 99. Это небольшой имплант, который устанавливается за сетчаткой глаза. Он имеет беспроводную связь с камерой, установленной на очках, и стимулирует активность клеток сетчатки, еще способных к работе. Устройство протестировали на овцах. За 3 месяца у животных не проявилось никаких негативных реакций на имплант.
В 2020 году ученые из Гонконгского университета науки и технологии представили искусственную копию человеческого глаза. Сетчатка изготовлена из пористого оксида алюминия, внутри пор установлены фотодатчики из перовскита. Тонкие провода, имитирующие нервные окончания, передают сигналы от фотодатчиков на внешние схемы для обработки сигналов. На передней части устройства установлен объектив в сочетании с искусственной радужкой. Камера внутри глаза заполнена ионной жидкостью, которая имитирует стекловидное тело. В будущем подобные устройства могут быть использованы для разработки улучшенных глазных протезов.

Слух

Имплантируемые слуховые аппараты используются в медицинской практике уже несколько десятилетий. Устройства передают звук напрямую в мозг пациента благодаря вживленным электродам. Как правило, каждый такой слуховой аппарат приходится долго и кропотливо настраивать. В 2021-м бельгийские исследователи создали новый тип имплантируемых слуховых аппаратов, которые автоматически подстраиваются под владельца благодаря усовершенствованным электродам. В рамках исследования эксперты заменили часть электродов в слуховых аппаратах нескольких испытуемых. В итоге оказалось, что импланты на усовершенствованных электродах могут отслеживать колебания активности мозга примерно так же, как и электроэнцефалографы.
Исследование, опубликованное в журнале iScience, также показало, что AirPods Pro «могут потенциально служить вполне адекватным слуховым аппаратом» для людей с легкой и умеренной степенью нарушения слуха. Однако скептики считают, что «яблочные» наушники могут не подойти им, потому что батареи не могут обеспечить работу устройства на протяжении всего дня без подзарядки.

Обоняние

На сегодняшний день на рынке пока не появилось устройство, которое бы могло бы на 100% вернуть человеку обоняние — его можно потерять вследствие различных заболеваний. Такой недуг называют аносмией. Разработки в этом направлении активизировались после пандемии COVID-19, когда многие переболевшие люди стали жаловаться на то, что больше не чувствуют запахи.
Исследователи из Медицинской школы Университета Содружества Вирджинии работают над нейропротезом, или «‎бионическим носом»‎, который должен помочь миллионам пациентов, потерявшим обоняние из-за коронавируса или по другим причинам. Так, небольшой внешний датчик запаха (ученые хотят крепить на очки или браслет) будет посылать сигналы на микропроцессорный чип внутри черепа человека и таким образом стимулировать определенные области мозга, отвечающие за обоняние. По словам исследователей, им понадобится еще 5–10 лет, чтобы довести проект «‎до ума»‎.

Фото обложки: SHVETS production / Pexels