Ο Αμερικανός νευροχειρουργός Έντι Τσάνγκ έφτασε πολύ ευδιάθετος και πολύ χαμογελαστός στο πολιτιστικό κέντρο Radyalsystem στις όχθες του ποταμού Spree, στο ανατολικό Βερολίνο το πρωί της 9ης Νοεμβρίου. Ήταν ένας από τους επιστήμονες- “The brightest minds of the planet” -που συμμετείχαν φέτος ως προσκεκλημένοι ομιλητές στο συνέδριο Falling Walls Summit 2022, στον ετήσιο θεσμό συνάντησης της επιστήμης με την κοινωνία στο Βερολίνο.
Η εκδήλωση εντάσσεται στο πλαίσιο των επετειακών δράσεων για την Πτώση του Τείχους και κάθε χρόνο καθένας από τους ομιλητές περιγράφει την προσπάθειά του να ρίξει τα δικά του τείχη. Βέβαια έχουν περάσει τέσσερα χρόνια από τότε που ο διαπρεπής επιστήμονας από το Ινστιτούτο Νευροεπιστημών του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Σαν Φρανσίσκο (UCSF) άρχισε να ρίχνει τα δικά του τείχη με την πρώτη στον κόσμο “speech neuroprosthesis”, μια νευροπροσθετική συσκευή που αποκωδικοποιεί την εγκεφαλική δραστηριότητα ατόμων με παράλυση, καθώς εκείνα προσπαθούν μέσα στη σιωπή τους να αρθρώσουν λέξεις και προτάσεις.
Ο Δρ Έντουαρντ Τσανγκ είναι πρωτοπόρος στη νευροχειρουργική και ειδικεύεται στην προηγμένη χαρτογράφηση του εγκεφάλου για την ασφαλή εκτέλεση νευροχειρουργικών επεμβάσεων σε ευαίσθητες εγκεφαλικές περιοχές. Η έρευνά του επικεντρώνεται στην διερεύνηση ανθρώπινων νευρολογικών μηχανισμών υψηλής λειτουργίας, ενώ ο ίδιος διαθέτει μεγάλη εμπειρία σε εμφυτεύσιμες συσκευές που διεγείρουν συγκεκριμένα νεύρα για την ανακούφιση από επιληπτικές κρίσεις, τρέμουλο, πόνο και άλλες νευρικές διαταραχές.
Πρωτοπόρος στη διεπαφή εγκεφάλου-υπολογιστή
Ο Δρ. Έντι Τσάνγκ τον Ιούλιο του 2021 ηγήθηκε μιας πρωτοποριακής μελέτης, που χρηματοδοτήθηκε εν μέρει από το Facebook, η οποία μετέφρασε τα εγκεφαλικά σήματα ενός παράλυτου άνδρα σε λέξεις σε μια οθόνη υπολογιστή. «Από όσο γνωρίζουμε, μέχρι τώρα, αυτή είναι η πρώτη επιτυχημένη επίδειξη άμεσης αποκωδικοποίησης πλήρων λέξεων από την εγκεφαλική δραστηριότητα κάποιου που είναι παράλυτος και δεν μπορεί να μιλήσει. Αυτό μας δίνει μια ισχυρή υπόσχεση για την αποκατάσταση της επικοινωνίας μέσω εγκεφάλου χρησιμοποιώντας τον φυσικό μηχανισμό ομιλίας», λέει ο ίδιος.
O Αμερικανός νευροχειρουργός Έντι Τσάνγκ με την συντάκτρια του Dnews Βασιλική Μιχοπούλου
Όπως μου περιγράφει ο εγκέφαλος χρησιμοποιεί ηλεκτρικά σήματα ως δική του γλώσσα για την επικοινωνία. Αυτή η γλώσσα έχει τη δική της λογική και τον δικό της κώδικα και η πραγματική πρόκληση είναι η κατανόηση του τρόπου που λειτουργεί αυτός ο κώδικας. «Έχω περάσει τις τελευταίες δεκαετίες της ζωής μου μελετώντας το πώς ο εγκέφαλος ελέγχει την ομιλία, πώς αντιλαμβανόμαστε τις λέξεις, πως τις δημιουργούμε, πως διαμορφώνονται τα εγκεφαλικά σήματα εξαιτίας της ομιλίας. Σε αυτό μας βοήθησε και η κλινική εμπειρία που αποκτήσαμε από ασθενείς στο Κέντρο Επιληψίας UCSF οι οποίοι υποβάλλονταν σε νευροχειρουργική επέμβαση για τον εντοπισμό της πηγής προέλευσης των επιληπτικών κρίσεων χρησιμοποιώντας συστοιχίες ηλεκτροδίων που τοποθετούνταν στην επιφάνεια του εγκεφάλου τους. Αυτοί οι ασθενείς μας επέτρεψαν να αναλύσουμε τις εγκεφαλικές τους εγγραφές σχετικά με την ομιλία και μας άνοιξαν δρόμο για δοκιμές σε άτομα με παράλυση», συμπληρώνει
Ο ίδιος τονίζει πως η αποκατάσταση της ομιλίας είναι η πιο σημαντική και το πρώτο πράγμα που του ζητούν οι ασθενείς. «Με την ομιλία, συνήθως επικοινωνούμε με πολύ γρήγορο ρυθμό, έως 150 ή 200 λέξεις το λεπτό», λέει, σημειώνοντας ότι οι μέχρι τώρα προσεγγίσεις που χρησιμοποιούν πληκτρολόγηση είναι πολύ πιο αργές και πιο επίπονες. «Το να πηγαίνουμε κατευθείαν στα λόγια, όπως κάνουμε με την μέθοδό μας, έχει μεγάλα πλεονεκτήματα γιατί είναι πιο κοντά στη φυσική ομιλία».
Η πρώτη κλινική δοκιμή
Ο Δρ. Τσανγκ και οι συνεργάτες του στο UCSF Weill Institute for Neurosciences εμφύτευσαν μια συστοιχία 128 μικροηλεκτροδίων, μεγέθους πιστωτικής κάρτας στην επιφάνεια του εγκεφάλου ενός εθελοντή που είχε υποστεί ένα ισχυρό εγκεφαλικό στα 20 του χρόνια και ζούσε επί 15 χρόνια με παράλυση. «Το εγκεφαλικό κατέστρεψε σοβαρά την εγκεφαλική σύνδεση με τη φωνητική οδό και τα άκρα του προκαλώντας περιορισμό στις κινήσεις του κεφαλιού, του λαιμού και των άκρων», περιγράφει ο επιστήμονας. Το εμφύτευμα προσαρτήθηκε σε έναν υπολογιστή μέσω ενός καλωδίου προκειμένου να διαβαστεί η εγκεφαλική δραστηριότητα. Κάθε φορά που ο ασθενής προσπαθούσε να μιλήσει τα ηλεκτρικά εγκεφαλικά σήματα μεταδίδονταν στον υπολογιστή, του οποίου οι αλγόριθμοι πρόβλεψης γλώσσας τα αποκωδικοποιούσαν σε λέξεις και προτάσεις.
Σε μια μελέτη ορόσημο που δημοσιεύθηκε πέρυσι, ο Δρ. Τσάνγκ και οι συνεργάτες του ανέφεραν ότι η νευροπρόσθεση επέτρεψε στον εθελοντή να πληκτρολογήσει λέξεις σε μια οθόνη προσπαθώντας να τις προφέρει. Ο αλγόριθμος κατασκεύασε σωστά προτάσεις από ένα λεξιλόγιο 50 λέξεων περίπου στο 75% των περιπτώσεων. Η ομάδα διαπίστωσε ότι η νευροπροσθετική συσκευή ήταν σε θέση να μεταφράσει τη δραστηριότητα του εγκεφάλου με ρυθμό έως και 18 λέξεων ανά λεπτό και με ακρίβεια έως και 93%.
Αυτά μέχρι πέρσι γιατί στην τελευταία δημοσίευση στην επιθεώρηση «Nature Communications», του Τσάνγκ και της ομάδας του, που συνέπεσε με την παρούσα συνέντευξη, παρουσιάζεται μια νέα βελτιωμένη έκδοση του νευροπροσθετικού συστήματος ικανή να αναγνωρίζει μεμονωμένα γράμματα του φωνητικού αλφάβητου ΝΑΤΟ (ένα αλφάβητο όπου κάθε γράμμα αντιστοιχεί σε μία λέξη ώστε να αποφεύγονται τα λάθη κατά την εκφώνηση των γραμμάτων) αποκωδικοποιώντας ένα λεξιλόγιο 1.152 λέξεων και σχηματίζοντας ολόκληρες φράσεις, όπως «ευχαριστώ» ή «συμφωνώ», αλλά και προτάσεις όπως «Παραμείνετε όλοι ασφαλείς από τον ιό!», με μέση ταχύτητα περίπου 29 χαρακτήρων το λεπτό και με μέσο ποσοστό σφάλματος στην αποκωδικοποίηση της τάξης του 6%. Περαιτέρω πειράματα με λεξιλόγιο πάνω από 9.000 λέξεις εμφάνισαν ποσοστό λάθους 8,2%.
{https://www.youtube.com/watch?v=_GMcf1fXdW8}
Συσκευή για πολλές γλώσσες
Ο Τσάνγκ μου λέει ότι η συσκευή που έχει δημιουργήσει ο ίδιος και η ομάδα του λειτουργεί μόνο για την αγγλική γλώσσα, ωστόσο, ο 36χρονος εθελοντής του γνωρίζει και Ισπανικά. «Μέρος αυτού που προσπαθούμε να αναπτύξουμε είναι αυτή η τεχνολογία που υποκινείται από τον ασθενή να μπορεί να αλλάζει από τη μια γλώσσα στην άλλη. Καθώς ένα άτομο αλλάζει λέξεις μεταξύ δύο γλωσσών, εξετάζουμε τρόπους με τους οποίους η νευροπροσθετική συσκευή μπορεί να το εντοπίζει και να συνεχίζει να λειτουργεί σε πολλές γλώσσες»
Ένας άλλος τομέας στον οποίο ο Δρ. Τσάνγκ εργάζεται με ενθουσιασμό είναι η δημιουργία και ο έλεγχος ενός άβαταρ κάποιου ατόμου, που όχι μόνο μιλάει, αλλά στην πραγματικότητα κινείται όπως κάποιος με το οποίο συνομιλούμε. «Αυτό πιστεύουμε ότι θα βοηθήσει ένα παράλυτο άτομο να αισθάνεται ότι η διεπαφή του υπολογιστή και εγκεφάλου είναι μέρος του τρόπου με τον οποίο επικοινωνεί πιο φυσικά».
Ο εθελοντής της ομάδας του νευροχειρούργου είναι ένας από τους δεκάδες ανθρώπους στον πλανήτη που έχουν ενσωματωμένες διεπαφές εγκεφάλου-υπολογιστή (BCI) στη φαιά ουσία τους στο πλαίσιο κλινικών πειραμάτων. Μαζί, αυτοί οι εθελοντές δοκιμάζουν τα όρια μιας τεχνολογίας που προσφέρει τη δυνατότητα σε χιλιάδες ανθρώπους, που έχουν χάσει την ικανότητα ομιλίας λόγω εγκεφαλικού επεισοδίου, τραυματισμού του νωτιαίου μυελού ή ασθένειας, να επικοινωνήσουν προς τα έξω τουλάχιστον μερικά από όσα συμβαίνουν μέσα στο κεφάλι τους. Και χάρη στις παράλληλες προόδους στις νευροεπιστήμες, τη μηχανική και την τεχνητή νοημοσύνη την τελευταία δεκαετία, το ακόμα μικρό αλλά αναπτυσσόμενο πεδίο BCI (Brain Computer Interface) κινείται πολύ γρήγορα. Αυτό διαπιστώνει και ο επιστήμονας, ο οποίος σε επόμενο στάδιο θα ήθελε να μεταβεί σε μια ασύρματη έκδοση της συσκευής του που θα μεταδίδει δεδομένα σε ένα tablet και που δεν θα ενέχει τόσο μεγάλο κίνδυνο φλεγμονής και μόλυνσης, πράγμα που ευελπιστεί να το καταφέρει μέσα στα επόμενα πέντε χρόνια.
Ήδη, οι διεπαφές εγκεφάλου-υπολογιστή έχουν βοηθήσει στον έλεγχο των επιληπτικών κρίσεων και στη μείωση του τρόμου σε ασθενείς με νόσο του Πάρκινσον. Η επόμενη γενιά διεπαφών θα αντιμετωπίσει ακόμη πιο περίπλοκες προκλήσεις, όπως η αποκατάσταση της ομιλίας και η ρύθμιση της διάθεσης.
Αποκρυπτογράφηση της ανθρώπινης συμπεριφοράς
Ένας από τους στόχους του Δρα. Τσάνγκ είναι η αποκρυπτογράφηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας που σχετίζεται με περίπλοκες ανθρώπινες συμπεριφορές, σε μια προσπάθεια να αναπτυχθούν λύσεις για άτομα που υποφέρουν από νευροψυχιατρικές παθήσεις όπως η κατάθλιψη και το άγχος.
«Ελπίζουμε ότι κατανοώντας τα μοτίβα ηλεκτρικής σηματοδότησης, μπορούμε να δούμε στα άτομα που εμφανίζουν κατάθλιψη βαριάς μορφής πότε και ποια μέρη του εγκεφάλου εμπλέκονται. Μπορούμε να παρακολουθούμε τη μη φυσιολογική εγκεφαλική δραστηριότητα που συμπίπτει με τα συμπτώματα του ασθενούς και να εφαρμόζουμε διέγερση (Deep Brain Stimulation) μόνο όταν χρειάζεται, όπως κάνει π.χ. ένας βηματοδότης», εξηγεί ο επιστήμονας.
Αντίστοιχη παρέμβαση θα γίνεται στο μέλλον και σε βαριές ψυχιατρικές νόσους καθώς οι ερευνητές θα αρχίσουν να κατανοούν τις αλλαγές σηματοδότησης που συμβαίνουν εξαιτίας της ψυχιατρικής φαρμακευτικής αγωγής. «Αυτού του τύπου η αντιμετώπιση είναι πολλά υποσχόμενη συγκριτικά με άλλες επεμβάσεις όπως είναι π.χ. ένα ηλεκτροσόκ που βλάπτει τον μηχανισμό της μνήμης και άλλες λειτουργίες», συμπληρώνει. Ωστόσο επισημαίνει πως όλα αυτά βρίσκονται σε πρώιμο στάδιο και πως για να εφαρμοστούν θα πρέπει να ακολουθηθεί μια ισχυρή βιοηθική γραμμή και να θεσπιστεί ένα πολύ καλό ρυθμιστικό πλαίσιο δεοντολογίας γύρω από αυτό.
Ποιος είναι ο νευροεπιστήμονας
Ο Έντι Τσανγκ γεννήθηκε στην Καλιφόρνια από γονείς μετανάστες και από μικρός ήθελε να γίνει σκηνοθέτης και να γυρίζει επιτυχημένα φιλμ. Τελικά σπούδασε Ιατρική στο UCSF με ειδικότητα στη νευροχειρουργική. Παντρεμένος και πατέρας τριών παιδιών θεωρεί τον εαυτό του τυχερό που μπόρεσε να φοιτήσει στο σχολείο και να συναντήσει στον δρόμο του τη Βιολογία που την ερωτεύτηκε, αλλά και τον νευροεπιστήμονα Michael Merzenich, που αποτέλεσε το πρότυπό του.
Πάντα είχε την περιέργεια να μάθει το πώς λειτουργεί η ζωή και η περιέργεια εξακολουθεί να είναι και το βασικό κίνητρο της έρευνάς του. «Η επιστήμη μας βοηθά να ερχόμαστε κοντά στην αλήθεια και να καταλαβαίνουμε τον κόσμο γύρω μας. Πιστεύω πως αν η κοινωνία έβαζε την επιστήμη στη ζωή της πολλά από τα σημερινά προβλήματα δεν θα υπήρχαν. Ναι έχω περιέργεια, θέλω να μάθω περισσότερα, θέλω να γιατρέψω τους ασθενείς μου. Στόχος της επιστήμης είναι να κάνει τη ζωή των ανθρώπων καλύτερη, γιατί επιστήμη χωρίς ανθρωπισμό είναι άχρηστη!»
Ο ίδιος το 2015 τιμήθηκε με το Blavatnik National Laureate for Life Sciences, ενώ το 2020 εξελέγη ως μέλος της Εθνικής Ακαδημίας Ιατρικής, που αναγνωρίζει εξαιρετικά επιτεύγματα και υπηρεσίες στους τομείς των ιατρικών επιστημών, της υγειονομικής περίθαλψης και της δημόσιας υγείας. Το 2022, έλαβε το βραβείο Pradel στις Νευροεπιστήμες από την Εθνική Ακαδημία Επιστημών.
