新しい脳・コンピュータ・インタフェースにより、ALSの男性が再び「話す」ことが可能に

September, 4, 2024, Sacramento--UC Davisヘルスが開発したテ技術が対人コミュニケーションを回復する。
カリフォルニア大学デービス(UC Davis)ヘルス校で開発された新しいブレイン・コンピュータ・インタフェース(BCI)は、脳信号を最大97%の精度で音声に変換する。これは、この種のシステムの中で最も精度が高いシステムである。

研究チームは、筋萎縮性側索硬化症(ALS)により言語が著しく損なわれた男性の脳にセンサを埋め込んだ。その男性は、システムを起動させてから数分以内に意図したスピーチを伝えることができた。

この研究に関する研究は、New England Journal of Medicineに掲載された。

ALSは、Lou Gehrig病とも呼ばれ、全身の動きを制御する神経細胞に影響を及ぼす。この病気は、立ったり、歩いたり、手を使ったりする能力を徐々に失わせる。また、話すために使用される筋肉の制御を失い、理解できる言語が失われる原因にもなる。

この新技術は、麻痺やALSなどの神経疾患により話すことができない人々のコミュニケーションを回復するために開発されている。ユーザが話そうとすると脳の信号を解釈し、コンピュータが声に出して「話す」テキストに変換できる。

「われわれのBCI技術は、麻痺のある男性が友人、家族、介護者とコミュニケーションをとるのに役立った。われわれの論文は、これまでに報告された中で最も正確な音声神経補綴物(デバイス)を示している」と、UC Davisの脳神経外科医、David Brandmanは話している。

Brandman は、この研究の共同主任研究者、共同主任著者。同氏は、UC Davis神経外科の助教授、UC Davis神経補綴研究所の共同ディレクタである。

新しいBCIはコミュニケーションの壁を打ち破る
誰かが話そうとすると、新しいBCIデバイスは、脳の活動をコンピュータ画面上のテキストに変換する。その後、コンピュータはテキストを音声で読み上げることができる。

このシステムを開発するために、チームはALSを患う45歳の男性、Casey HarrellをBrainGateの臨床試験に登録ました。彼の登録時、ハレルは彼の腕と脚に衰弱があった(四肢麻痺)。彼のスピーチは非常に理解しにくく(構音障害)、他の人が彼のために通訳するのを手伝う必要があった。

2023年7月、Brandmanは治験中のBCIデバイスを埋め込んだ。同氏は、音声の調整を担当する脳領域である左前中心回に4つの微小電極アレイを配置した。アレイは、256個の皮質電極からの脳活動を記録するように設計されている。

「われわれは、彼らが筋肉を動かして話そうとする試みを実際に検出している」と神経科学者のSergey Staviskyは説明している。Staviskyは、神経外科の助教授で、UC Davis神経補綴研究所の共同ディレクター、この研究の共同主任研究者。「われわれは、これらのコマンドを筋肉に送ろうとしている脳の部分から記録している。また、われわれは基本的にそれを聞いており、脳活動のパタンを音節や音声単位などの音素に変換し、次に彼らが言おうとしている言葉に変換している」

より迅速なトレーニング、より良い結果
近年のBCI技術の進歩にもかかわらず、通信を可能にする取り組みは遅く、エラーが発生しやすくなっている。これは、脳の信号を解釈する機械学習プログラムが実行するために大量の時間とデータを必要としたためである。

「以前の音声BCIシステムでは、単語のエラーが頻繁に発生していた。そのため、ユーザが一貫して理解することが難しくなり、コミュニケーションの障壁となっていた。われわれの目的は、誰かが話したいときにいつでも理解できるシステムを開発することだった」(Brandman)。

Harrellは、プロンプトと自発的な会話の両方の設定でシステムを使用した。どちらの場合も、音声デコードはリアルタイムで行われ、システムは常に更新されるため、正確に機能し続けることができした。

解読された単語が画面に表示された。驚くべきことに、それらはALSを患う前のハレルのような声で読み上げられた。この声は、ALSになる前の彼の声の既存のオーディオサンプルで訓練されたソフトウェアを使用して作られた。

最初の音声データトレーニングセッションでは、システムは50語の語彙で99.6%の単語精度を達成するのに30分かかった。

「初めてシステムを試したとき、彼は言おうとしていた言葉が画面上に正しく表示されると、喜びのあまり泣いていた。われわれは皆そうだった」(Stavisky)。

2回目のセッションでは、潜在的な語彙のサイズが125,000語に増加した。わずか 1.4 時間のトレーニング データを追加するだけで、BCI はこの大幅に拡張された語彙で 90.2% の単語精度を達成した。継続的なデータ収集の後、BCIは97.5%の精度を維持している。

この研究では、32週間にわたる84回のデータ収集セッションについて報告している。Harrellは、合計で248時間以上、自分のペースで進められる会話でスピーチBCIを使用し、対面およびビデオチャットでコミュニケーションを取った。

「この技術は、話したくても話せない人々に希望を与えるという点で、変革をもたらす」(脳神経外科医 David Brnadman)。

(詳細は、https://health.ucdavis.edu/)