Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
Компактный нейропротез обучили декодировать речь по активности мозга
Ученые НИУ ВШЭ и МГМСУ имени Евдокимова разработали модель машинного обучения, которая предсказывает произнесенное слово на основе активности мозга, записанной небольшим количеством инвазивных электродов.
Статья опубликована в Journal of Neural Engineering. Работа выполнена при поддержке мегагранта правительства России в рамках нацпроекта «Наука и университеты». Во всем мире миллионы людей имеют речевые нарушения, которые ограничивают их способность к повседневному общению. Причины потери речи могут быть разными — от перенесенного инсульта до врожденных заболеваний.
Современные технологии позволяют вернуть возможность к коммуникации: например, интерфейсы безмолвного доступа считывают и восстанавливают текст на основе артикуляционных мышц, когда пользователь произносит его беззвучно, одними губами. Однако такие устройства помогают не во всех случаях. В частности, люди с параличом мускулатуры лица не могут их использовать.
Доступное и точное восстановление речевых функций могут обеспечить речевые нейропротезы — нейрокомпьютерные интерфейсы, которые декодируют речь на основе активности мозга. В отличие от привычного нам интерфейса персонального компьютера, в нейрокомпьютерных интерфейсах (НКИ) устройство получает команды напрямую от мозга человека, не требуя ввода через клавиатуру или микрофон.
Одно из препятствий к широкому использованию НКИ в протезировании речи — это их инвазивность, то есть необходимость установки электродов непосредственно на мозговой ткани, что требует хирургического вмешательства.
Наиболее точное воспроизведение речи достигается нейропротезами, электроды которых считывают активность мозга с большой поверхности его коры. Однако такие устройства не обеспечивают долговременный электрический контакт с мозговой тканью, а их имплантация связана с высокими рисками для пациента.
Ученые Центра биоэлектрических интерфейсов ВШЭ и МГМСУ имени Евдокимова изучили возможность создать рабочий нейропротез, который сможет обеспечивать приемлемую точность, считывая сигналы активности мозга с небольшого участка коры головного мозга при помощи малого числа электродов. В будущем имплантация такого нейропротеза может быть выполнена даже под местной анестезией. А в проведенном исследовании использовались данные об активности мозга во время выполнения речевой задачи двумя пациентами с эпилепсией, которым были установлены внутричерепные электроды с целью локализации очага эпилепсии.
У первого пациента были имплантированы пять стереотаксических ЭЭГ-стержней по шесть контактов в каждом, у второго — набор из девяти электрокортикографических (ЭКоГ) полосок по восемь контактов каждая. В отличие от ЭКоГ, сЭЭГ не требует удаления части черепа при установке, а имплантируется через просверленные отверстия. Для декодирования речи из активности мозга использовались только шесть контактов с одного стереотаксического стержня или восемь контактов с одной ЭКоГ-полоски.
В эксперименте испытуемый вслух читал шесть предложений, каждое предъявлялось от 30 до 60 раз вперемежку с остальными. Предложения имели разную лингвистическую конструкцию и содержали созвучные слова (например, «Шура широко шагает в широких штанах»). Всего во всех предложениях встречалось 26 слов. Во время чтения предложений электроды регистрировали электрическую активность мозга испытуемого.
Записанные аудиосигналы и соответствующую им активность мозга разметили в соответствии с произносимыми словами. Вышло 27 классов, включая 26 слов и состояние покоя. Затем данные из сформированной обучающей выборки (содержащей сигналы, записанные в первые 40 минут эксперимента) передали в модель машинного обучения — нейросеть со специально разработанной учеными архитектурой. Задачей нейросети было предсказание слова (класса) на основе электрической активности мозга, предшествующей произнесению этого слова.
При разработке архитектуры нейронной сети ученые сосредоточились на простоте, компактности и нейрофизиологической интерпретируемости ее параметров. Архитектура выполняла задачу в два этапа: сначала она извлекала из записанной электродами мозговой активности внутренние речевые представления, решая задачу предсказания мел-спектральных коэффициентов, затем на основе этих представлений предсказывался конкретный класс — слово или состояние покоя.
В итоге обученная нейросеть смогла предсказывать слова с точностью 55 процентов для первого пациента на основе сигналов активности мозга, регистрируемых только одним сЭЭГ-стержнем с 6 контактами, и с точностью 70 процентов для второго пациента на основе данных от одной ЭКоГ-полоски с восемью контактами. Эта точность сравнима с результатами, которые в других исследованиях демонстрируют устройства, требующие расположения электродов по всей поверхности мозга.
Полученная интерпретируемая модель позволила в нейрофизиологических терминах объяснить, какая информация вносит наибольший вклад в предсказание слова. Исследователи проанализировали, сигналы от каких нейронных популяций оказались важнее всего для нейросети. Эти результаты совпали с зонами, обнаруженными в результате проведенного врачами ранее картирования областей мозга, ответственных за речевые функции. Это говорит о том, что модель использует действительно значимые мозговые сигналы и потенциально может быть использована и для декодирования воображаемой речи.
Другое преимущество разработанной нейросети в том, что она не потребовала ручного конструирования признаков. Модель сама научилась извлекать из мозговой активности речевые представления. Интерпретируемость найденных признаков позволила сделать вывод о том, что архитектура выполняет декодирование мозговых сигналов, а не сопутствующей активности, как, например, электрические сигналы от артикуляционных мышц.
Ученые подчеркивают важность того, что для предсказания использовалась активность мозга, непосредственно предшествующая произнесению слова. По их мнению, это гарантировало неиспользование решающим правилом ответа слуховой коры на прослушивание произнесенной самим испытуемым речи.
«Использование таких интерфейсов сопровождается минимальными рисками для пациента. Если все получится, то воображаемую пользователем речь можно будет декодировать, считывая активность мозга при помощи небольшого числа минимально инвазивных электродов. Они будут имплантироваться в амбулаторном режиме под местной анестезией», — рассказывает руководитель исследования Алексей Осадчий, директор Центра биоэлектрических интерфейсов Института когнитивных нейронаук ВШЭ.
Telegram 
Дзен 
VK После тяжелого эмоционального потрясения, например развода или потери близкого человека, у некоторых людей может возникать кардиомиопатия такоцубо, также известная как стрессовая кардиомиопатия, или «синдромом разбитого сердца». Хотя это состояние, напоминающее симптомами сердечный приступ, чаще встречается у женщин, новое исследование показало, что для мужчин оно вдвое смертоноснее.
Ученые описали новый для науки вид пескарей из бассейна реки Урал и потому назвали его Gobio uralensis. Оказалось, что этот вид по внешним признакам (морфологии) наиболее близок к волжскому пескарю, обитающему на территории Европейской части России, а генетически — к маркакольскому, населяющему реки Казахстана и Китая. Это может говорить о том, что уральский пескарь появился в далеком прошлом в результате гибридизации европейских и азиатских линий пескарей.
В Бразилии проживает более 200 миллионов человек, немалую долю которых занимают потомки иммигрантов. Колонизация с XV по XX века считается самым масштабным переселением народов в истории. Порядка пяти миллионов человек переселились туда из Европы. Столько же насильно переместили с Африканского континента. Сегодня бразильцы — это наиболее генетически разнородная нация, и одна из самых малоизученных. Поэтому неудивительно, что новая работа по результатам полногеномного анализа населения принесла целый ряд открытий.
Мохаммад Х. Аттаран (Mohammad H. Attaran) — концепт-дизайнер и цифровой художник, работающий в Великобритании. В своих проектах он сочетает эстетику научной фантастики с элементами, вдохновлёнными природой, особенно анатомией насекомых. Его машины, мехи и транспортные средства выглядят одновременно инопланетно и инженерно достоверно. Ну или почти.
Исследуя генетическое происхождение мужского населения Нидерландов, ученые заметили географические особенности распределения гаплогрупп. Теперь, чтобы их объяснить, проанализировали Y-хромосомы сотен человек, начиная с раннего Средневековья, в сравнении с геномами современного населения страны. Авторы рассчитывали обнаружить непрерывность популяций, однако столкнулись с неожиданными сложностями.
Когда пальцы долго находятся в воде, кожа на них начинает морщиться. Из-за чего и по какому принципу это происходит, долгое время известно не было. Однако специалисты по биомедицине из США нашли ответы на оба вопроса.
Да, с волосами и люком все так. У космонавта Суниты Уильямс волосы на МКС плавали свободно, а у Кэти Пэрри и прочих в полете 14 апреля 2025 года — нет. Но это не значит, что суборбитального космического полета первого чисто женского экипажа не было или что он был инсценировкой. Причем, в общем-то, чтобы понять это, даже не нужно обладать специальными знаниями.
Мощнейшее отключение электроэнергии за последние 20 лет истории Европы случилось уже неделю назад, а испанские власти пока так и не объявили о его причинах. Это логично: как мы покажем ниже, ответ на вопрос, кто виноват, получится очень неполиткорректным. И, более того, противоречащим линии правящей в Испании партии. Но мы живем за тысячи километров от нее, поэтому можем себе позволить аполитичный анализ случившегося. Так что же произошло на самом деле и каковы наши шансы увидеть подобное у себя дома?
Инженеры компании UST Inc. разработали передовой рельсовый беспилотник, способный передвигаться на скорости до 500 километров в час. Юнибус U5-75304 предназначен для перевозки пассажиров и может в перспективе заменить среднемагистральную авиацию. Давайте узнаем, как конструктивные особенности обеспечивают продолжительное движение на больших скоростях, комфорт и безопасность пассажирам.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно
Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно