حدد باحثو التخنيون كودًا منظمًا تمثل من خلاله الخلايا العصبية في الدماغ البشري حركات الكلام

تمكن الباحثون من فك رموز المقاطع مباشرة من النشاط العصبي الذي يتسبب في نطقها، وهو اكتشاف قد يسمح للمرضى المصابين بالشلل في جميع أجزاء أجسادهم "بالتحدث" مع من حولهم من خلال واجهة مباشرة بين الدماغ والكمبيوتر.

تمكن باحثو التخنيون من فك تشفير المقاطع مباشرة من النشاط العصبي الذي يتسبب في نطقها - وهو اكتشاف قد يسمح للمرضى المصابين بالشلل في جميع أجزاء أجسادهم "بالتحدث" مع من حولهم من خلال واجهة مباشرة بين الدماغ والكمبيوتر. يصف البروفيسور شاي شوهام والدكتور أريئيل تانكوس من كلية الهندسة الطبية الحيوية، بالتعاون مع البروفيسور يتسحاق فريد من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس (UCLA)، في دراسة جديدة نشرت في المجلة العلمية Nature Communications الطريقة التي يتم بها يتم ترميز الخلايا العصبية في مناطق مختلفة من الدماغ البشري لأجزاء مختلفة من الكلام (أحرف العلة) أثناء نطقها. وقد جعل هذا الاكتشاف من الممكن، بشكل غير مباشر، فك تشفير محتوى الكلام الخاص بالموضوعات بناءً على نشاط الدماغ وحده. أحد التطبيقات الممكنة لفك تشفير الكلام من نشاط الدماغ هو إنشاء واجهة بين الدماغ والحاسوب، والتي يمكنها استعادة القدرة على التحدث للأشخاص المشلولين الذين فقدوها.

"هناك أمراض يصاب فيها المريض بالشلل في جميع أجزاء جسده، حرفيا "محبوس" فيها (متلازمة المنغلق) ولا يستطيع التواصل مع البيئة، لكن دماغه لا يزال يعمل"، يوضح البروفيسور شوهام، رئيس قسم مختبر الواجهات العصبية في كلية الهندسة الطبية الحيوية في التخنيون. "هدفنا على المدى الطويل هو استعادة القدرة على التحدث إلى هؤلاء المرضى من خلال أنظمة تشمل زرع أقطاب كهربائية في أدمغتهم، وفك تشفير النشاط العصبي الذي يشفر الكلام، وإعادة إنتاج أصوات الكلام بشكل مصطنع. ولهذا الغرض، أردنا أولاً أن نفهم كيف يتم تشفير المعلومات المتعلقة بالمقطع اللفظي المؤثر في النشاط الكهربائي لخلية عصبية واحدة في الدماغ ولمجموعة من الخلايا. في التجارب التي أجريناها، تمكنا من اكتشاف مجموعات الخلايا التي تشارك في التمثيل. على سبيل المثال، الخلايا التي سجلناها في المنطقة الواقعة في وسط الفص الجبهي، والتي تتضمن القشرة الحزامية الأمامية، فاجأتنا حقًا بالطريقة التي تمثل بها حركات معينة دون غيرها، على الرغم من عدم الاعتراف بأن المنطقة لها دور مركزي. في عملية خلق الكلام."

وأجريت التجارب في المركز الطبي لجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس بمشاركة مرضى الصرع، الذين تم زرع أقطاب كهربائية عميقة في أدمغتهم من قبل البروفيسور فريد وفريقه. الغرض من عملية الزرع هو تحديد موقع بؤرة الصرع، وهي المنطقة الموجودة في الدماغ التي تبدأ منها نوبات الصرع. بعد العملية، يتم إدخال المرضى إلى المستشفى لمدة أسبوع أو أسبوعين مع وضع الأقطاب الكهربائية في دماغهم، في انتظار ظهور النوبات التلقائية التي سيتم تسجيلها بواسطة الأقطاب الكهربائية. خلال هذه الفترة، أجرى الدكتور تانكوس، الذي كان طالب ما بعد الدكتوراه في جامعة كاليفورنيا وهو الآن باحث في التخنيون، تجارب طلب فيها من المرضى نطق حركات ومقاطع تتكون من حرف ساكن وحركة، وفي سجلت العملية نشاط الخلايا العصبية في أدمغتهم. اكتشف الباحثون مجموعتين من الخلايا العصبية، كل منها تشفر المعلومات حول حركة السائق بطريقة مختلفة تمامًا. في المجموعة الأولى التي تم تحديدها في وسط الفص الجبهي، تقوم كل خلية بتشفير حركة واحدة أو حركتين فقط عن طريق تغيير معدل إطلاقها، ولكنها لا تغير نشاطها عندما تتحرك الحركات الأخرى. من ناحية أخرى، في المجموعة الثانية، الموجودة في منطقة التلفيف الصدغي العلوي، تستجيب كل خلية لجميع الحركات التي تم اختبارها، لكن قوة الاستجابة (الخلية) تختلف من حركة إلى أخرى. علاوة على ذلك، تمكن الباحثون من استنتاج ترتيب رياضي لطريقة تمثيل حروف العلة في الدماغ، وأظهروا أنه يتوافق مع شبه منحرف حروف العلة، المبني حسب موضع أعلى نقطة في اللسان أثناء النطق. وبهذه الطريقة، تمكن الباحثون من ربط التمثيل الدماغي بتشريح وفسيولوجيا نطق حروف العلة.

وكما ذكرنا، فإن فهم تمثيل الدماغ لإنتاج الكلام يعد أيضًا خطوة مهمة على طريق فك رموز النشاط الخلوي باستخدام الكمبيوتر، حيث يقول الدكتور تانكوس: "لقد طورنا خوارزمية جديدة حسنت بشكل كبير القدرة على التعرف على نشاط الدماغ أي مقطع تم استخدامه، ومعه وصلنا إلى معدلات التعرف العالية جدًا. واستنادًا إلى النتائج الحالية، فإننا نجري الآن تجارب لإنشاء واجهة بين الدماغ والآلة لاستعادة القدرة على التحدث إلى البشر.