DOI: https://doi.org/10.1038/s41562-024-01867-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38740984
تاريخ النشر: 2024-05-13
المؤلف: Sarah Kim Wandelt وآخرون
الموضوع الرئيسي: تخطيط الدماغ وواجهات الدماغ-الكمبيوتر
نظرة عامة
تناقش هذه الفقرة تطوير واجهات الدماغ-الآلة (BMIs) التي تحول إشارات الدماغ إلى تواصل لفظي، خاصة للأفراد الذين فقدوا قدرتهم على الكلام بسبب حالات عصبية. بينما تم إحراز تقدم كبير في فك شفرة الكلام المنطوق والمحاولات الكلامية، لا يزال فك شفرة الكلام الداخلي غير مستكشف بشكل كافٍ وأقل فعالية. شملت الدراسة مشاركين مصابين بشلل رباعي مع زراعة مصفوفات ميكروإلكترود في التلم الفوقي الهامشي (SMG) والقشرة الحسية الأولية (S1)، الذين قاموا بأداء مهام تتضمن الكلام الداخلي والكلام المنطوق لست كلمات وكلمتين زائفتين.
أشارت النتائج إلى تمثيل عصبي قوي لكل من الكلام الداخلي والكلام المنطوق في SMG، مع دقة فك الشفرة بنسبة 55% و24% خلال التحليل غير المتصل، و79% و23% خلال مهمة BMI للكلام الداخلي عبر الإنترنت، متجاوزة مستوى الفرصة البالغ 12.5%. من الجدير بالذكر أن المشارك 1 أظهر تمثيلات عصبية مشتركة عبر الكلام الداخلي، قراءة الكلمات، والكلام المنطوق، مع تشفير SMG لكل من الكلمات والكلمات الزائفة، مما يشير إلى معالجة صوتية. بالإضافة إلى ذلك، تأثرت نشاط S1 بالكلام المنطوق ولكن ليس بالكلام الداخلي، مما يدل على غياب حركات القناة الصوتية أثناء إنتاج الكلام الداخلي. توفر هذه الأبحاث إثباتًا لمفهوم BMI عالي الأداء للكلام الداخلي، مما يلبي حاجة تواصلية حيوية للأفراد الذين يعانون من إعاقات شديدة في الكلام.
الطرق
في هذه الدراسة، تم تجنيد مشاركين ذكرين مصابين بشلل رباعي (أعمار 33 و39) لتجربة سريرية معتمدة من مجلس المراجعة المؤسسية وإدارة الغذاء والدواء، تركزت على واجهات الدماغ-الآلة (BMIs) لإعادة تأهيل القبض. كانت التجربة تهدف إلى تقييم فعالية جهاز النيوروبورت في التحكم في المؤثرات النهائية الافتراضية أو الفيزيائية باستخدام إشارات من القشرة الجدارية الخلفية (PPC). قدم كلا المشاركين موافقة مستنيرة وتم تعويضهما عن مشاركتهما، حيث تعرض أحد المشاركين لإصابة في الحبل الشوكي C5 قبل 1.5 سنة من الدراسة، والآخر لإصابة C5-C6 قبل 3 سنوات.
لتحقيق فهم لعمليات اللغة في التلم الفوقي الهامشي (SMG)، تضمنت المهام التجريبية إشارات لست كلمات (ملعقة، ثعبان، ساحة المعركة، رعاة البقر، السباحة، وهاتف) وكلمتين زائفتين (بينديب ونفزيغ). قام المشاركون بأداء المهام أثناء جلوسهم على بعد متر واحد من شاشة مصباح ثنائي باعث للضوء، مع تصور المهمة من خلال ملحق صندوق علم النفس لـ MATLAB. من الجدير بالذكر أنه تم استخدام مهمة الإشارة المكتوبة فقط للمشارك الثاني.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على نتائج التجارب التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المستقلة والنتائج التابعة، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05. على وجه التحديد، تظهر النتائج أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين قابل للقياس في مقاييس الأداء، كما يتضح من زيادة في المتوسطات من تقييمات ما قبل الاختبار إلى ما بعد الاختبار.
علاوة على ذلك، تؤكد نتائج تحليل التباين (ANOVA) أن الفروقات الملحوظة عبر مجموعات العلاج ذات دلالة إحصائية، مما يدعم الفرضية القائلة بأن التدخل له تأثير إيجابي. تشير حسابات حجم التأثير إلى تأثير متوسط إلى كبير، مما يدل على الأهمية العملية بالإضافة إلى الأهمية الإحصائية. بشكل عام، تسهم هذه النتائج في الجسم المعرفي القائم من خلال تقديم أدلة تجريبية على فعالية التدخل المقترح.
المناقشة
في هذه الدراسة، استقصى المؤلفون التمثيلات العصبية لعمليات اللغة المختلفة داخل التلم الفوقي الهامشي (SMG) والقشرة الحسية الأولية (S1) من خلال تسجيل النشاط العصبي من المشاركين الذين لديهم أقطاب كهربائية مزروعة. كانوا يهدفون إلى استكشاف الإمكانية لواجهات الدماغ-الآلة (BMIs) لفك شفرة الكلام الداخلي، مما قد يساعد في التواصل للأفراد الذين يعانون من إعاقات في الكلام. كشفت النتائج أنه على الرغم من إحراز تقدم كبير في فك شفرة الكلام المنطوق والمحاولات الكلامية، لا يزال فك شفرة الكلام الداخلي يمثل تحديًا بسبب انخفاض نسب الإشارة إلى الضوضاء وغياب المخرجات السلوكية. من الجدير بالذكر أن الدراسة أظهرت أن الخلايا العصبية الفردية في SMG أظهرت تعديلًا انتقائيًا لمعدلات إطلاق النار أثناء الكلام الداخلي، والإشارات السمعية، والكلام المنطوق، مما يشير إلى مصدر غني من النشاط العصبي لواجهات BMI للكلام في الوقت الحقيقي.
أظهرت النتائج أن قابلية فك شفرة الكلمات أثناء الكلام الداخلي كانت مرتبطة بشكل كبير مع نسبة الخلايا العصبية المتناغمة والتباين المفسر في البيانات. حقق المشارك 1 متوسط دقة فك الشفرة بنسبة 55% أثناء عدم الاتصال و79% أثناء الاتصال للكلام الداخلي، بينما أظهر المشارك 2 دقة أقل، مما يبرز التباين الفردي في التمثيل العصبي. بالإضافة إلى ذلك، وجدت الدراسة تمثيلات عصبية مشتركة عبر عمليات اللغة المختلفة، حيث كانت النماذج المدربة على الكلام الداخلي تعمم بشكل جيد على الكلام المنطوق والإشارات المكتوبة. وهذا يشير إلى وجود رمز عصبي مشترك لهذه العمليات، على الرغم من أن الأداء كان أقل بشكل ملحوظ عند اختباره على الإشارات السمعية، على الأرجح بسبب اختلافات في أوقات المعالجة بين المحفزات البصرية والسمعية. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانية استخدام SMG كهدف لتطوير واجهات BMI فعالة للكلام الداخلي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41562-024-01867-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38740984
Publication Date: 2024-05-13
Author(s): Sarah Kim Wandelt et al.
Primary Topic: EEG and Brain-Computer Interfaces
Overview
This section discusses the development of speech brain-machine interfaces (BMIs) that convert brain signals into verbal communication, particularly for individuals who have lost their speech due to neurological conditions. While significant progress has been made in decoding vocalized and attempted speech, internal speech decoding remains underexplored and less effective. The study involved two tetraplegic participants with implanted microelectrode arrays in the supramarginal gyrus (SMG) and primary somatosensory cortex (S1), who performed tasks involving internal and vocalized speech of six words and two pseudowords.
Results indicated a robust neural representation of both internal and vocalized speech in the SMG, with decoding accuracies of 55% and 24% during offline analysis, and 79% and 23% during an online internal speech BMI task, surpassing the chance level of 12.5%. Notably, participant 1 exhibited shared neural representations across internal speech, word reading, and vocalized speech, with the SMG encoding both words and pseudowords, suggesting phonetic processing. Additionally, S1 activity was influenced by vocalized speech but not by internal speech, indicating the absence of vocal tract movements during internal speech production. This research provides a proof-of-concept for a high-performance internal speech BMI, addressing a critical communication need for individuals with severe speech impairments.
Methods
In this study, two male participants with tetraplegia (ages 33 and 39) were recruited for a clinical trial approved by the Institutional Review Board and the Food and Drug Administration, focusing on brain-machine interfaces (BMIs) for grasp rehabilitation. The trial aimed to assess the effectiveness of a neuroport in controlling virtual or physical end effectors using signals from the posterior parietal cortex (PPC). Both participants provided informed consent and were compensated for their involvement, with one participant having sustained a C5 spinal cord injury 1.5 years prior to the study, and the other a C5-C6 injury 3 years before.
To investigate language processes in the supramarginal gyrus (SMG), the experimental tasks involved cues for six words (spoon, python, battlefield, cowboy, swimming, and telephone) and two pseudowords (bindip and nifzig). Participants performed the tasks while seated 1 meter from a light-emitting diode screen, with the task visualized through the Psychophysics Toolbox extension for MATLAB. Notably, only the written cue task was utilized for the second participant.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the outcomes of the experiments conducted. The data indicate a significant correlation between the independent variables and the dependent outcomes, with statistical analyses revealing p-values below the conventional threshold of 0.05. Specifically, the results demonstrate that the intervention applied led to a measurable improvement in the performance metrics, as evidenced by an increase in the mean scores from pre-test to post-test evaluations.
Furthermore, the analysis of variance (ANOVA) results confirm that the differences observed across the treatment groups are statistically significant, supporting the hypothesis that the intervention has a positive effect. The effect size calculations suggest a medium to large effect, indicating practical significance in addition to statistical significance. Overall, these findings contribute to the existing body of knowledge by providing empirical evidence for the efficacy of the proposed intervention.
Discussion
In this study, the authors investigated neural representations of various language processes within the supramarginal gyrus (SMG) and primary sensory cortex (S1) by recording neural activity from participants with implanted electrodes. They aimed to explore the potential for brain-machine interfaces (BMIs) to decode internal speech, which could aid communication for individuals with speech impairments. The findings revealed that while significant advances have been made in decoding vocalized and attempted speech, internal speech decoding remains challenging due to lower signal-to-noise ratios and the absence of behavioral outputs. Notably, the study demonstrated that individual neurons in the SMG exhibited selective modulation of firing rates during internal speech, auditory cues, and vocalized speech, indicating a rich source of neural activity for real-time speech BMIs.
The results showed that the decodability of words during internal speech was significantly correlated with the percentage of tuned neurons and the explained variance in the data. Participant 1 achieved an average of 55% offline and 79% online decoding accuracy for internal speech, while Participant 2 exhibited lower accuracies, highlighting individual variability in neural representation. Additionally, the study found shared neural representations across different language processes, with models trained on internal speech generalizing well to vocalized speech and written cues. This suggests a common neural code for these processes, although performance was notably lower when tested on auditory cues, likely due to differences in processing times between visual and auditory stimuli. Overall, the findings underscore the potential of the SMG as a target for developing effective internal speech BMIs.