ממשק מוח-מחשב: חוקרים ישראלים פיתחו נוירופרותזה חדשנית לדיבור

חוקרים מאוניברסיטת תל אביב ומבית החולים איכילוב הצליחו לגרום למטופל שותק להוציא הברות בעזרת כוח המחשבה בלבד. החולה דמיין שהוא אומר אחת משתי הברות, אלקטרודות עומק שהושתלו במוחו העבירו את האותות החשמליים למחשב – והמחשב השמיע את ההברות. במחקר שולבה בינה מלאכותית שלמדה את דפוסי הפעילות החשמלית של המוח ועל סמך למידה זו חזתה את הפונמה, ההברה, שהמטופל רוצה לומר.

תוצאות המחקר בהובלת ד"ר אריאל טנקוס מבית הספר לרפואה באוניברסיטת תל אביב וד"ר עידו שטראוס, מנהל היחידה לנוירוכירורגיה תפקודית במרכז הרפואי איכילוב, פורסמו בכתב העת Neurosurgery ומעוררות תקווה לאפשר לאנשים משותקים לחלוטין – למשל עקב מחלת ה-ALS, שבץ בגזע המוח או פגיעה מוחית בעקבות פציעה – לשוב ולדבר באופן רצוני.

"אובדן יכולת הדיבור עקב פציעה או מחלה הוא אירוע הרסני", כתבו החוקרים, "במאמר זה אנו מדווחים על נוירופרותזה חדשנית לדיבור המסוגלת ליצור באופן מלאכותי אבני בניין של דיבור בהתבסס על פעילות בתדר גבוה באזורי מוח שמעולם לא נוצלו קודם לכן לצורך נוירופרותזה: הקורטקס הסינגולרי הקדמי, הקורטקס האורביטופרונטלי וההיפוקמפוס".

המחקר התבצע על גבר בן 37 הסובל מאפילפסיה, בעל יכולת דיבור תקינה שבמוחו הושתלו אלקטרודות באזורי ההיפוקמפוס והקורטקס הקדמי במסגרת ניתוח כריתה של המוקד האפילפטי, שלא היה ממוקם אצלו בקליפת המוח. "מדובר בחולה אפילפסיה שמאושפז על מנת לעבור כריתה של המוקד האפילפטי במוחו", מסביר ד"ר טנקוס. "לשם כך צריך כמובן לדעת איפה נמצא המוקד, שהוא מקור ה'קצר' ששולח גלים חשמליים עוצמתיים במוחו. מדובר בתת-אוכלוסיה קטנה יותר מקרב חולי האפילפסיה, שאינם מגיבים היטב לתרופות וזקוקים להתערבות נוירוכירורגית, ובתת-אוכלוסיה קטנה עוד יותר של חולי אפילפסיה, שהמוקד החשוד שלהם נמצא בעומק המוח ולא על פני הקליפה.

"זהו צעד גדול בדרך לממשק מוח-מחשב, שיחליף את מסלולי הבקרה המוחית על תהליך יצירת הדיבור, ויאפשר לאנשים משותקים לתקשר שוב עם סביבתם בצורה רצונית"

ד"ר אריאל טנקוס, ביה"ס לרפואה באוניברסיטת תל אביב. צילום: ליאור מור/ דוברות איכילוב

"כדי למצוא את המיקום המדויק צריך להשתיל במוחם אלקטרודות עומק, והם מאושפזים בבית החולים בציפייה להתקף הבא – כי אז האלקטרודות יגידו לנוירולוגים ולמנתחים איפה נמצא המוקד ואפשר יהיה לנתח את החולה. אך מבחינת המדע זאת הזדמנות נדירה מאוד לקבל הצצה לעומק המוח החי של בן אדם. לשמחתי, חולה האפילפסיה שאושפז ב'איכילוב' הסכים להשתתף בניסוי, שבעתיד עשוי לסייע לאנשים משותקים לשוב ולהתבטא באמצעות דיבור מלאכותי".

במהלך סדרת הניסויים, המטופל הצליח לגרום לנוירופרותזה להפיק צלילי הברות שונים באופן מלאכותי בדיוק של 85%. בניסויים הבאים, הביצועים השתפרו באופן עקבי, מה שניתן לייחס לנוירופלסטיות. החוקרים כתבו כי "המטופל הצליח לשלוט בנוירופרותזה באופן שקט כמעט מיידית ובצורה טבעית כדי להפיק שני צלילי תנועה באופן רצוני".

בשלב הראשון של הניסוי, כשאלקטרודות העומק כבר מושתלות במוחו, החוקרים ביקשו מהחולה להגיד בקול שתי הברות: /a/ (כמו א' מנוקדת בפתח) ו-/e/ (כמו א' בסגול) – והקליטו את הפעילות המוחית בזמן שאמר אותן. באמצעות למידה עמוקה ולמידת מכונה, החוקרים אימנו מודלים של בינה מלאכותית לזהות את התאים הספציפיים במוחו שפעילותם החשמלית מעידה על הרצון להגיד /a/ או /e/. אחרי שהמחשב למד להכיר את דפוס הפעילות החשמלית הקשור לשתי ההברות במוחו של החולה, הוא התבקש לדמיין שהוא אומר /a/ ו-/e/ – והמחשב תרגם את האותות החשמליים והשמיע בהתאם /a/ או /e/, שהוקלטו מראש.

"תחום המחקר שלי עוסק בקידוד ובפענוח של דיבור, כלומר איך תאים בודדים במוח משתתפים בתהליך הדיבור: בהפקת דיבור, בשמיעה של דיבור ובדמיון של דיבור – 'לדבר בלב'", אומר ד"ר טנקוס. "בניסוי הזה הצלחנו, לראשונה בהיסטוריה, לקשור את חלקי הדיבור לפעילות של תאים בודדים מאותם אזורים במוח מהם הקלטנו – מה שאפשר לנו להבדיל בין הסיגנלים החשמליים המאפיינים את /a/ ואת /e/.

"כרגע מדובר בשתי אבני בניין של הדיבור, שתי הברות. השאיפה שלנו כמובן היא להגיע לדיבור שלם – אבל גם שתי הברות שונות יכולות לאפשר לאדם משותק לחלוטין לאותת על 'כן' ו'לא'. כך למשל, בעתיד ניתן יהיה לאמן את המחשב על חולה ALS במצב התחלתי, כשעודו מדבר, והמחשב ילמד את הסיגנלים החשמליים במוחו של החולה ויידע להשתמש בהם בעתיד, אחרי שהחולה לא יהיה מסוגל להפעיל עוד את שריריו. וזאת דוגמה אחת בלבד. המחקר מהווה צעד גדול בדרך לממשק מוח-מחשב, שיחליף את מסלולי הבקרה המוחית על תהליך יצירת הדיבור ויאפשר לאנשים משותקים לחלוטין לתקשר שוב עם סביבתם בצורה רצונית".

בסיכום תקציר המחקר כותבים החוקרים כי המשמעות של הממצאים היא שהם עשויים לפתוח את הדרך לאסטרטגיה חדשה של השתלת נוירופרותזה בשלבים מוקדמים יותר של מחלה (למשל, טרשת צדית אמיוטרופית - ALS), בעוד יכולת הדיבור עדיין שלמה, לצורך אימון משופר שעדיין מאפשר שליטה שקטה בשלבים מאוחרים יותר.

"התוצאות מדגימות את ההיתכנות הקלינית של פיענוח ישיר של פעילות בתדר גבוה הכוללת פעילות ספייקים באזורים שבהם הושתלו האלקטרודות, לצורך הפקה שקטה של הברות שעשויות לשמש כחלק מנוירופרותזה להחלפת מסלולי שליטה בדיבור שאבדו", כתבו.

 המחקר נתמך על ידי מענק ממשרד החדשנות, המדע והטכנולוגיה.