مغز چگونه به رمزگشایی از گفتار می‌پردازد

افرادی مثل استیون هاوکینگ می‌توانند در مورد آنچه می‌خواهند به زبان بیاورند، فکر کنند اما به دلیل فلج عضلانی قدرت تکلم شفاهی ندارند. آن‌ها برای برقراری ارتباط می‌توانند از دستگاه‌هایی استفاده کنند که برای تلفظ کلمات از حرکات گونه یا چشم شخص کمک می‌گیرند. با این‌ حال، این فرآیند کند و غیرطبیعی است. دانشمندان می‌خواهند با توسعه‌ی یک واسطه‌ی ماشینی مغز به رمزگشایی از دستوراتی بپردازند که مغز به زبان، سقف دهان، لب‌ها و حنجره ارسال می‌کند و به این صورت در برقراری ارتباط به افراد معلول کمک کنند.

شخص خیلی ساده سعی می‌کند کلمات را به زبان بیاورد و واسطه‌ی ماشین مغزی (BMI) آن‌ها را به گفتار تبدیل می‌کند. در پژوهش‌های جدید کالج پزشکی شمال غرب و کالج هنر و علوم وینبرگ، اطلاعات جدیدی در مورد نحوه‌ی رمزگذاری گفتار توسط مغز به دست آمده است و به این ترتیب علم یک قدم به ساخت واسطه‌های ماشینی گفتاری، مغزی نزدیک‌ شده است.

بر اساس این پژوهش‌ها کنترل تولید گفتار توسط مغز دقیقا مشابه کنترل حرکت‌های دست و بازو است. پژوهشگرها در ابتدا سیگنال‌های دو بخش از مغز را ضبط کردند و به رمزگشایی نتایج آن‌ها پرداختند. آن‌ها به این نتیجه رسیدند که مغز اهداف گفتاری (صداهایی مثل pa و ba) و حرکت‌های مستقل برای رسیدن به این اهداف (نحوه‌ی حرکت لب‌ها، سقف دهان، زبان و حنجره) را کنترل می‌کند.

این دو نوع نمایش در دو بخش متفاوت از مغز رخ می‌دهند. به‌گفته‌ی مؤلف ارشد مقاله دکتر مارک اسلوتزکی و استادیار عصب‌شناسی و فیزیولوژی دانشکده‌ی پزشکی وینبرگ با این کار می‌توان رمزگشاهای گفتاری بهتری را برای BMI ها ساخت و به افرادی که مشکل گفتاری دارند کمک کرد.

این بررسی در تاریخ ۲۶ سپتامبر در مجله‌ی Neuroscience منتشر شد. این کشف می‌تواند به افراد مبتلا به اختلال‌های گفتاری مثل کنش‌پریشی گفتاری کمک کند. کنش‌پریشی گفتاری در کودکان و در افراد بالغ پس از سکته دیده می‌شود. در این اختلال، فرد در تبدیل پیام‌های گفتاری از مغز به زبان گفتاری دچار مشکل می‌شود.

کلمات چگونه از مغز به گفتار تبدیل می‌شوند؟

گفتار ترکیبی از حروف مستقل یا واج‌های ساده است که با حرکات هماهنگ لب‌ها، زبان، حنجره و سقف دهان ایجاد می‌شوند. با این حال دانشمندان هنوز دقیقا نمی‌دانند که مغز چگونه حرکات گفتاری را برنامه‌ریزی می‌کند. به‌ویژه هنوز مشخص نیست که بخش کورتکس مغزی چگونه تولید گفتار را کنترل می‌کند و هیچ شواهدی مبنی بر نمایش حرکات در مغز وجود ندارد. به‌گفته‌ی اسلوتزکی:

فرض می‌کنیم سازماندهی بخش‌های گفتاری مغز مشابه بخش محرک بازو است. کورتکس پیش‌مرکزی حرکات لب، زبان، سقف دهان و حنجره را نمایش می‌دهد و سطوح بالاتر کورتیکال هم کنترل واج‌ها را برعهده دارند.

به نقل از اسلوتزکی این نتیجه به دست آمد:

ما به بررسی دو بخش از مغز پرداختیم که در تولید گفتار نقش دارند. کورتکس پیش‌مرکزی حرکات گسترده‌تر از واج‌ها را برعهده دارد. کورتکس پیشین داخلی که بخش سطح بالاتر گفتار را تشکیل می‌دهد، مسئولیت واج‌ها و حرکات مرتبط با آن را برعهده دارد.

گفتگو با بیماران در طول جراحی مغزی برای رمزگشایی سیگنال‌های مغزی

برای حذف تومورهای مغزی دانشمندان با تعبیه‌ی الکترودهایی در مغز بیمار در طول جراحی مغز، به ضبط سیگنال‌های مغزی از سطح کورتکس پرداختند. بیمارها باید در طول جراحی هوشیار باشند و پژوهشگرها از آن‌ها بخواهند کلماتی را از روی صفحه‌ی نمایش بخوانند.

پس از جراحی، دانشمندان زمان‌های تولید واج یا حرکت توسط بیمار را نشانه‌گذاری کردند. آن‌ها از سیگنال‌های ضبط‌شده‌ی مغزی هر بخش کورتکس برای رمزگشایی واج‌ها و اشاره‌ها استفاده کردند و دقت رمزگشایی را اندازه‌گیری کردند. سیگنال‌های مغزی در کورتکس پیش‌مرکزی در رمزگشایی حرکات دقت بیشتری داشتند، در حالی‌ که سیگنال‌های مغزی در بخش کورتکس پیشین در رمزگشایی واج‌ها و حرکات خوب عمل کردند.

این اطلاعات به پشتیبانی از مدل‌های زبانی تولید گفتار و همچنین به مهندسین در طراحی واسطه‌های ماشین مغزی و رمزگشایی گفتار از این نواحی مغز کمک می‌کنند. مرحله‌ی بعدی پژوهش توسعه‌ی الگوریتمی برای واسطه‌های ماشین مغزی است که نه‌تنها به رمزگشایی حرکات می‌پردازند بلکه حرکات رمزگشایی‌شده را برای ساخت کلمات ترکیب می‌کنند.

این پژوهش از نوع میان‌رشته‌ای و میان‌زمینه‌ای است؛ مؤلف‌ها شامل تیمی از جراحان مغز، عصب‌شناس، دانشمند کامپیوتر، زبان‌شناسی و مهندس بیوپزشکی بودند. علاوه‌بر اسلوتزکی، مؤلفان دانشگاه شمال غرب شامل امیلی ام موگلر، متیو سی تیت (جراح اعصاب)، جسیکا دبلیو تمپلر (عصب شناسی) و متیو ای . گولدریک (زبان‌شناس) هم در این پژوهش مشارکت داشتند.