Un aparat auditiv controlat prin gândire îmbunătățește percepția vocală în medii zgomotoase
Un sistem dezvoltat recent permite decodificarea activității cerebrale în timp real, ajutând utilizatorii să se concentreze pe o singură voce în medii zgomotoase.
Într-un studiu publicat în revista Nature Neuroscience, cercetătorii au creat un sistem auditiv controlat prin gândire, destinat să ajute persoanele să se concentreze asupra unei voci într-un mediu aglomerat. Aceștia au înregistrat activitatea cerebrală în timp real de la pacienți supuși unei intervenții chirurgicale pentru epilepsie și au testat capacitatea sistemului de a identifica vorbitorul atent și de a amplifica vocea acestuia.
Sistemul a demonstrat rezultate consistente în îmbunătățirea înțelegerii vorbirii, chiar și în prezența unor voci asemănătoare și a zgomotului de fond, la participanți cu auz normal raportat, în timp ce un grup separat de ascultători cu dificultăți de auz a preferat și a înțeles mai bine audio amplificat de sistem.
Aceste descoperiri deschid noi perspective pentru dezvoltarea de aparate auditive ghidate de activitatea cerebrală, menite să îmbunătățească recunoașterea vocii și auzul în medii aglomerate, cum ar fi restaurantele sau petrecerile.
Persoanele cu dificultăți auditive se confruntă adesea cu provocări atunci când încearcă să urmeze conversații în locuri aglomerate, chiar și cu ajutorul aparatelor auditive. Aceasta se datorează faptului că aparatele auditive obișnuite amplifică toate sunetele, inclusiv zgomotul de fundal.
Pentru a aborda această problemă, cercetătorii au dezvoltat tehnologia de decodare a atenției auditive (AAD). Această abordare detectează vocea la care o persoană este atentă și o amplifică, bazându-se pe semnalele activității cerebrale. Studii anterioare au testat această tehnologie în condiții de laborator controlate; totuși, nu era clar dacă aceasta poate oferi beneficii perceptuale în timp real.
În cadrul studiului actual, cercetătorii au testat sistemul de auz controlat prin gândire pe patru adulți care erau monitorizați cerebral în timpul unui tratament pentru epilepsie. Aceștia au înregistrat activitatea cerebrală de la electrozii de electroencefalografie intracraniană (iEEG) implantați clinic, care acopereau regiunile de procesare a vorbirii și sunetului ale creierului participanților. Acești electrozi au permis cercetătorilor să înregistreze activitatea cerebrală cu o rezoluție înaltă în timp ce participanții ascultau conversații.
În prima etapă, sistemul a fost antrenat înainte de testare. Participanții au ascultat conversații simultan din două fluxuri de vorbire separate spațial. Acestea au simulat mai multe persoane care vorbeau într-o cameră închisă. Conversațiile au abordat subiecte cotidiene, iar dificultatea sarcinii a fost crescută prin utilizarea unor voci asemănătoare, cum ar fi cele ale vorbitorilor de același sex. De asemenea, au fost incluse sunete de fundal, cum ar fi zgomotul străzii și murmurul mulțimii, pentru a imita și mai bine scenariile din viața reală.
Echipa a instruit participanții să urmeze doar o singură conversație și să ignore cealaltă. Participanții au confirmat acest lucru apăsând un buton atunci când au auzit cuvinte repetate într-o conversație. În timp ce ascultau, echipa a înregistrat activitatea cerebrală. Ulterior, au antrenat modelele AAD să recunoască tiparele din semnalele cerebrale și să reconstruiască ritmul, sau „envelopa de vorbire”, a vocii atent urmărite.
În faza de testare online, în condiții de multitalker și zgomot, tehnologia a analizat continuu semnalele cerebrale ale participanților pentru a identifica vorbitorul la care erau atenți. Odată ce vorbitorul a fost identificat, tehnologia a amplificat automat acea voce, menținând în același timp nivelul general al sunetului stabil.
Cercetătorii au comparat performanța auditivă înainte și după îmbunătățirile ghidate de creier. Apoi au verificat dacă sistemul putea să se ajusteze rapid atunci când participanții își schimbau atenția către un alt vorbitor. Ulterior, au testat dacă sistemul putea urmări schimbările naturale în identitatea vorbitorului. De asemenea, au măsurat dilatarea pupilelor pentru a evalua efortul mental.
În cele din urmă, au redat înregistrările audio pentru 40 de persoane cu deficiențe de auz și au analizat răspunsurile acestora. Modelele mixte liniare generalizate (GLMM) au permis analiza statistică.
Sistemul a demonstrat performanțe constante în diferite teste și situații de ascultare. Electrozii plasați deasupra girusului temporal superior au furnizat cele mai utile semnale cerebrale. În timpul testării offline, sistemul a recunoscut corect vocea la care ascultătorul era atent în 72,0% până la 90,3% din feronțele de decodare între participanți. Tehnologia a funcționat de asemenea fiabil în situații dificile, inclusiv voci asemănătoare și zgomot de fundal.
În timp real, sistemul a amplificat automat vocea la care ascultătorul se concentra. Cercetătorii au observat o îmbunătățire de 12 dB în raportul țintă-la-mască, ceea ce indică faptul că vocea vorbitorului atent a devenit semnificativ mai clară decât vocile neatenționate și zgomotul de fundal.
Participanții au preferat cu tărie să asculte cu sistemul activat și au raportat o înțelegere îmbunătățită a discursului. S-a observat o dilatare mai mică a pupilelor când sistemul era activ, sugerând un efort mental mai redus în rândul participanților în timp ce urmau conversațiile. Decodarea atenției bazate pe activitatea cerebrală mai precisă a fost asociată cu o preferință mai puternică a participanților.
Când participanții au fost instruiți să se concentreze pe o altă voce, sistemul s-a ajustat rapid la aceste schimbări de atenție, cu un timp mediu de comutare de 5,1 secunde. Tehnologia a putut, de asemenea, să urmeze natural schimbările în atenția unui ascultător.
Participanții cu auz normal raportat au arătat îmbunătățiri în utilizarea sistemului cu buclă închisă, iar ascultătorii cu deficiențe de auz au arătat îmbunătățiri în înțelegerea vorbirii și au preferat cu tărie audio amplificat.
Aceste descoperiri demonstrează că sistemele de auz ghidate de creier ar putea ajuta oamenii să înțeleagă mai bine vorbirea în medii zgomotoase, recunoscând și amplificând vocea specific atentă. Rezultatele sugerează că astfel de sisteme ar putea fi deosebit de relevante în situații cotidiene, unde atenția se schimbă constant, datorită capacității lor de a se ajusta la schimbările naturale în atenție. Totuși, această tehnologie necesită proceduri invazive pentru implantarea electrozilor, prin urmare, ar putea să nu fie adecvată pentru utilizare de rutină pe scară largă.
Cercetătorii pot folosi totuși acest sistem ca standard de referință și dovadă de concept pentru a dezvolta versiuni mai inteligente și personalizate utilizând tehnologii de interfață creier-computer mai puțin invazive
