Опубликованные на этой неделе в журнале Nature результаты исследования имеют практическую значимость для развития интерфейсов мозг-компьютер, обеспечивающих генерацию искусственной речи, а также для лечения речевых расстройств. Помимо этого, они проливают свет на уникальную для человека, но до сих пор недостаточно изученную способность говорить.
«Речь является базовым свойством человека – практически все мы умеем говорить», - отмечает один из авторов исследования Эдвард Чанг, нейрохирург из Калифорнийского центра лечения эпилепсии и Центра интегративной нейронауки. – «Но она, пожалуй, еще и наиболее сложный моторный навык, которому мы обучаемся».
Причина такой сложности в том, что произнесение слов требует точнейшей координации многочисленных мышц голосового тракта, губ, языка и лица, обеспечивающих артикуляцию. Кроме того, до конца не было ясно, как движения этих мышц координируются мозгом.
Чтобы понять, как именно работает артикуляция, Чанг и его коллеги регистрировали электрическую активность непосредственно от коры мозга у трех пациентов, которым были сделаны операции на головном мозге. Полученные данные были использованы для того, чтобы определить пространственную организацию сенсомоторной речевой зоны мозга, контролирующей движения губ, языка и т.д. во время речи. В результате исследователи смогли построить карту областей мозга, связанных с моторным контролем речи.
Затем они применили к полученным данным новый разработанный ими способ анализа пространственных карт, чтобы изучить сложные пространственно-временные паттерны нейронной активности в сенсомоторной речевой коре. Результатом стало более глубокое понимание работы речевой коры.
Точно так же, как исполнение симфонии оркестром предполагает, что все музыканты координируют свои инструменты – трубы, скрипки и валторны – для речи необходимо высокоточное координирование различных областей мозга, входящих в сенсомоторную речевую кору.
Пациентам, активность мозга которых изучалась в данном исследовании, операция на головном мозге была показана в качестве лечения от тяжелой формы эпилепсии. В таких случаях хирургия обеспечивает мощный инструмент купирования эпилептических припадков. Успешность операции напрямую связана с точностью, с которой команда врачей сможет картировать области мозга и идентифицировать те области, которые являются источником эпилептической активности, чтобы затем удалить их.
Центр лечения эпилепсии при Калифорнийском Университете в Сан-Франциско является лидером в использовании новейших технологий, в том числе и интракраниального мониторинга активности мозга, позволяющего выявить и прооперировать очаги эпилепсии. Картирование осуществляется при помощи предварительно имплантирования электродов на поверхность мозга и записи его активности. Вторая операция, которая проводится через несколько недель, после того как выявлены очаги, позволяет удалить их, а также извлечь электроды.
Подобная процедура также предоставляет уникальную возможность найти ответы на ряд вопросов о работе человеческого мозга – в частности, вопрос о контроле речи. Мозговые механизмы речевого контроля до сих пор оставались окончательно не проясненными, поскольку неинвазивные методы картирования не дают возможности зарегистрировать быстрые изменения активности мозга.
До появления этой работы большая часть знаний ученых об этой области мозга была основана на исследованиях, проведенных еще в 1940-е годы, когда электростимуляция отдельных зон мозга использовалась для изучения сокращений мышц голосового аппарата. Этот подход, однако, не позволил вызвать ни единого звука речи.
Чанг и его коллеги используют принципиально иные методы, изучая активность мозга во время обычной речи пациента с имплантированными электродами. Пациентов просили зачитывать список фонем и слогов – например, «ба», «ди» «гу» - и регистрировали их мозговую активность.
«Несмотря на то, что мы использовали фонемы английского языка, мы обнаружили, что ключевые паттерны речевых движений соотносились с теми, которые лингвисты выявили во многих языках мира, что позволяет предположить универсальность моторных механизмов речи для всех культур и языков», - утверждает Чанг.
Литература:
Kristofer E. Bouchard, Nima Mesgarani, Keith Johnson, Edward F. Chang. . Nature, 2013; DOI: