Dankzij een neuroprothese kan iemand met ALS in realtime 'spreken' en 'zingen'.

Een van de verwoestende gevolgen van amyotrofische laterale sclerose (ALS) is het onvermogen van mensen die eraan lijden om te communiceren. Sommige patiënten beschrijven de ziekte als opgesloten in hun eigen lichaam en niet in staat om te communiceren.

Hoewel er geen behandelingen zijn die de ziekte kunnen omkeren of verlichten, probeert technologie gelukkig de beperkingen van deze mensen te verlichten. Deze baanbrekende technologie heeft het mogelijk gemaakt dat iemand met ALS in realtime kan spreken.

Tot nu toe waren de gebruikte systemen vergelijkbaar met sms'en. Het nieuwe systeem, gepresenteerd in het tijdschrift Nature , maakt natuurlijkere gesprekken mogelijk.

Hoewel dit slechts één geval is – de deelnemer is ingeschreven voor de klinische studie BrainGate2 bij UC Davis Health – werd zijn vermogen om via een computer te communiceren mogelijk gemaakt door een experimentele hersencomputerinterface (BCI). De nieuwe technologie kan hersenactiviteit direct omzetten in spraak wanneer iemand probeert te spreken, waardoor in feite een digitaal spraakkanaal ontstaat.

Met dit systeem kon de patiënt via een computer in realtime met zijn familie 'praten', zijn intonatie veranderen en eenvoudige melodietjes 'zingen'.

Sergey Stavisky, de hoofdauteur van het artikel, vergelijkt het met een realtime telefoongesprek. Op deze manier kunnen gebruikers van neuroprotheses actiever deelnemen aan een gesprek. Ze kunnen bijvoorbeeld ingrijpen en anderen zullen hen minder snel per ongeluk in de rede vallen, aldus Stavisky.

Het decoderen van hersensignalen vormt de kern van nieuwe technologieën

De onderzoeksbrein-computerinterface (BCI) bestaat uit vier micro-elektrode-arrays die operatief worden geïmplanteerd in het hersengebied dat verantwoordelijk is voor spraakproductie.

De apparaten registreren de activiteit van neuronen in de hersenen en sturen deze naar computers, die de signalen interpreteren om de stem te reconstrueren.

"De grootste barrière bij het synthetiseren van spraak in realtime was dat we niet precies wisten wanneer en hoe de persoon met spraakverlies probeerde te spreken", zegt Maitreyee Wairagkar, eerste auteur van de studie. "Onze algoritmen koppelen neurale activiteit aan de gewenste klanken op elk moment. Dit stelt ons in staat om de nuances van spraak te synthetiseren en de deelnemer controle te geven over de cadans van hun BCI-stem."

De hersen-computerinterface was in staat om de neurale signalen van de proefpersoon zeer snel om te zetten in hoorbare spraak, die via een luidspreker werd weergegeven: één veertigste van een seconde. Deze korte vertraging is vergelijkbaar met de vertraging die iemand ervaart wanneer hij of zij spreekt en zijn of haar eigen stem hoort.

De technologie stelde de deelnemer ook in staat om nieuwe woorden te zeggen (woorden die het systeem nog niet kende) en tussenwerpsels te gebruiken. Hij kon de intonatie van zijn computergestuurde stem moduleren om een ​​vraag te stellen of specifieke woorden in een zin te benadrukken.

De deelnemer ging ook over tot het variëren van de toonhoogte door het zingen van korte, eenvoudige melodietjes.

Het proces van het direct vertalen van hersenactiviteit naar gesynthetiseerde spraak wordt mogelijk gemaakt door geavanceerde algoritmen voor kunstmatige intelligentie.

De auteurs leggen uit dat de algoritmen van het nieuwe systeem werden getraind met gegevens die werden verzameld terwijl de deelnemer werd gevraagd zinnen uit te spreken die op een computerscherm werden weergegeven. Dit gaf de onderzoekers informatie over wat de deelnemer probeerde te zeggen.

"Onze stem maakt deel uit van wat ons als mens definieert. Het verlies van het spraakvermogen is verwoestend voor mensen met neurologische aandoeningen", zegt David Brandman, de neurochirurg die de implantatie bij de deelnemer uitvoerde.

De resultaten van dit onderzoek bieden hoop aan mensen die willen spreken, maar dat niet kunnen. De onderzoekers merken echter op dat, hoewel de bevindingen veelbelovend zijn, neuroprotheses die de hersenen naar spraak sturen zich nog in een vroeg stadium bevinden.