English
V poslední době se v médiích objevilo několik zpráv, které ohlásily převratnou událost – vědci dokážou přečíst lidské myšlenky. Zprávy vycházely z lednové publikace amerických autorů Briana Pasleyho a spol. v časopise Plos Biology s názvem Reconstructing Speech from Human Auditory Cortex. Pro úplnost dodejme, že jde o práci rozsáhlého týmu, který tvořili pracovníci univerzit z Berkeley, San Franciska, College Park v Marylandu a z Baltimoru. Je třeba konstatovat, že publikace přinesla důležité údaje, které posunuly naše znalosti o funkci mozku značným způsobem vpřed, zdaleka však ne ve smyslu čtení lidských myšlenek. Proč tato práce vzbudila takovou mediální pozornost?
Foto: J. Tintěra, IKEM
Ilustrační foto mozku, kde je červeně vyznačena oblast aktivace v levém a pravém spánkovém laloku, ve stejné oblasti jako v práci Pasley a spol. Posluchač v tomto případě naslouchá zpěvu písně.
Přes rozsáhlý výzkum v neurovědách stále nevíme, jaký kód používá lidský mozek pro předávání a zpracování informace o lidské řeči, která představuje významný podklad pro naše myšlení. Z pokusů na experimentálních zvířatech víme mnoho o kódu, který je používán v neuronových sítích mozku pro přenos informace o zvuku. Znalost kódu pro jednoduché zvuky typu čistých tónů vědci podstatně obohatili o znalost kódování vokalizací ve zvířecím mozku. Ale o kódu, který lidský mozek používá pro přenos informace o řeči, víme stále málo. Už od druhé poloviny 19. století je známo, na kterou část lidského mozku máme v tomto směru zaměřit pozornost, která oblast ve spánkovém laloku je důležitá pro vnímání řeči (Wernickeho centrum), a že se v čelním laloku nachází oblast důležitá pro vytváření řeči (Brocovo centrum). V posledních dvaceti letech jsme při studiu funkce těchto oblastí mozku postoupili dále prostřednictvím pozitronové emisní tomografie, funkční magnetické rezonance a magnetoencefalografie. Rozlišovací schopnost jmenovaných moderních metod je však stále nedostatečná, abychom rozluštili kód, který používají neuronové sítě lidského mozku pro zpracování informace o řeči.
Práce B. Pasleyho a spol. je úspěšná proto, že se mnohem více přiblížili k řešení záhady. Pomohly jim tři inovace, jež ve svém přístupu použili. První z nich spočívala v tom, že na povrch mozku 15 pacientů, kteří měli být operováni pro výskyt mozkového nádoru či farmakologicky neztišitelnou epilepsii, umístili – samozřejmě se souhlasem pacientů – čtvercovou matici několika desítek elektrod a ty snímaly elektrickou aktivitu z mozkové kůry. Elektrody snímaly integrovanou aktivitu skupin nervových buněk, obecně známou pod názvem elektroencefalogram (EEG). Nebyly tedy určeny ke snímání činnosti jednotlivých nervových buněk; pro takový účel nebyly dostatečně jemné, neměly dostatečně vysoký odpor, aby se přizpůsobily rozměrům jednotlivých nervových buněk. To se však ukázalo jako výhodné, neboť v EEG aktivitě, kterou elektrody snímaly, byla obsažena i informace o synaptických a dalších analogových potenciálech, jež se v mozkové kůře vyskytují. Druhou inovací, kterou B. Pasley a spol. použili, bylo soustředění zájmu na oblast vysokých frekvencí snímaného EEG signálu, a sice v rozmezí 70–170 Hz. Tyto frekvence se obecně nazývají vysoké gama pásmo (celé EEG pásmo gama zahrnuje frekvence od 30 Hz do 200 Hz). Pokusné osoby v průběhu záznamu EEG aktivity naslouchaly řeči, která se skládala buď z jednotlivých slov, nebo z celých vět standardně zaznamenaných a také podrobně akusticky analyzovaných. To umožnilo porovnat EEG záznam z jednotlivých elektrod s akustickým spektrogramem, neboli informací o frekvenci a intenzitě zvuku, z nějž se slyšená slova či věty skládaly. A právě v porovnávání spektrogramu a EEG záznamu v pásmu 70–170 Hz nalezli B. Pasley a spol. klíč k rozluštění záhady, jak lidský mozek kóduje řečové signály. Rozhodující byla třetí inovace. Namísto běžně používaného srovnávání akustického spektrogramu a EEG záznamu prostřednictvím lineárního modelu použili model nelineární, založený na nelineární modulaci řeči – a to jak v její časové, tak intenzitní složce. Nelineární model, jenž bere v úvahu průběh modulace akustického signálu, se někdy nazývá energetický; původně jej pro studium kódování komplexních zvuků navrhli Chi a Shamma (2005). Shamma je také jedním ze spoluautorů studie.
B. Pasley a spol. na příkladech demonstrují, že rekonstrukce řeči z EEG signálu v pásmu vysoké gama aktivity, která je zpracována pomocí nelineárního modelu založeného na principech modulace řeči, přináší v porovnání se spektrogramem řeči velmi dobrou shodu, i když ne naprosto ideální. Po stránce prostorové lokalizace nalezli nejlepší shodu se spektrogramem v zadní části superiorního temporálního závitu (tj. v části již dříve zmíněné Wernickeho oblasti). Předpokládají, že v přední části tohoto závitu jsou vyhodnocovány celé věty, nikoli jen jednotlivá slova.
Čtenář této stati již jistě nahlédl, že se nejedná o skutečné čtení myšlenek, byť má práce pro základní představu o způsobu kódování řeči v mozku zásadní význam. Osvědčilo se využití principů porovnání elektrického signálu snímaného jako EEG z mozkové kůry s akustickým spektrogramem řeči, principů dříve vyvinutých pro pochopení kódování vokalizací u pokusných zvířat (které také používáme v naší laboratoři). Pozoruhodné může být v budoucnosti porovnání takto získaných dat s výstupy funkční magnetické rezonance v případě, že se podaří její rozlišovací schopnost zvýšit; například u strojů s mohutností magnetického pole 7 Tesla a více. Další podnětný aspekt práce přináší její srovnání s výsledky jiné studie publikované v závěru roku 2009 Frankem H. Guentherem a spol. v časopise Plos ONE. I na ní spolupracoval rozsáhlý tým vědců a neurochirurgů, kteří pocházeli většinou z Bostonské univerzity a Massachusetts Institute of Technology, ale mnozí z nich byli z malých firem, jež se zabývají vývojem elektrod pro implantaci do lidského mozku. Frank H. Guenther a spol. (2009) se zaměřili na výstupní část řečového systému mozku, tzn. na analýzu činnosti Brocova centra. Jejich pacient trpěl tzv. lock-in syndromem, tedy neschopností vyslovit zamýšlená slova a věty vzhledem k poruše činnosti drah v mozkovém kmeni, které převádějí řečové povely z Brocovy oblasti k mluvidlům. Pacient měl v Brocově oblasti v čelním závitu mozku dlouhodobě vhojenou speciální elektrodu vyvinutou týmy z pracovišť kolem Emory University v Atlantě. Do nitra této elektrody vrůstaly po určité době výběžky nervových buněk a jejich akční potenciály proto bylo možné snímat. Guentherův tým tak získal záznam z nervových buněk Brocovy oblasti a mohl jej dekódovat zvláštním způsobem. Výstupy ze speciální elektrody byly zavedeny nejprve k implantovanému vysílači, který signály předal magneto-indukční cestou přes neporušenou kůži do přijímacího zařízení, a odtud signály putovaly k elektronickému dekodéru, aby nakonec byly převedeny po transformaci na řečový syntezátor. Pacient slyšel výstup ze syntezátoru a mohl vůlí měnit signály v mozkové kůře tak, aby se kvalita výstupů ze syntezátoru zvyšovala a přibližovala normálnímu řečovému signálu. V době publikace práce v roce 2009 byl pacient schopen tímto způsobem „vyslovovat“ samohlásky.
Obě citované práce jsou příkladem, jak se současná věda přibližuje k odhalení tajemství lidského mozku. Po úspěšném odhalení tajemství genomu ve dvacátém století čeká na vědu dvacátého prvního století vstup do říše záhad lidského myšlení. To s sebou může přinést i mnohá nebezpečí, na která již dnes upozorňuje obor bioetiky s názvem neuroetika, ale také mnohá dobrodiní při léčení nervových a psychických onemocnění.
JOSEF SYKA,
Ústav experimentální medicíny AV ČR, v. v. i.