Twój głos ma znaczenie: Wykorzystanie mowy do monitorowania choroby Huntingtona

Postęp choroby Huntingtona jest obecnie monitorowany głównie za pomocą testów ocenianych przez klinicystów, neuroobrazowania oraz pomiarów wykonywanych we krwi lub płynie rdzeniowym. Jednak grupa badaczy z Francji opracowała niedawno zautomatyzowane urządzenie, które może oszacować postęp HD, analizując mowę osoby podczas wykonywania prostego zadania liczenia.

Co ciekawe, pomiary produkcji mowy mogły dokładnie przewidzieć wyniki ocen klinicznych u osób z HD i skutecznie śledzić zmiany w czasie. Odkrycia te pokazują, że analiza głosu może stanowić obiecujące, nieinwazyjne i praktyczne narzędzie do śledzenia postępu choroby. Narzędzia takie mogłyby pewnego dnia umożliwić osobom z HD monitorowanie swojego stanu za pomocą smartfona, zmniejszając potrzebę częstych wizyt w klinice, obniżając koszty opieki zdrowotnej i pomagając lekarzom zapewnić bardziej spersonalizowaną opiekę.

Głos każdego jest wyjątkowy

Nasz głos jest cechą indywidualną – nie ma dwóch osób, które brzmią dokładnie tak samo. Niektóre głosy są bardzo rozpoznawalne. Czytelnicy pamiętający czasy przed telefonami komórkowymi i identyfikacją dzwoniącego przypomną sobie podnoszenie słuchawki telefonu stacjonarnego i rozpoznawanie głosu przyjaciela po drugiej stronie. Młodsi czytelnicy mogą rozpoznać swojego ulubionego aktora za postacią z kreskówki lub słodkie tony Taylor Swift w radiu. Wiele czynników sprawia, że głos każdej osoby jest wyjątkowy. Należą do nich kształt strun głosowych, rozmiar gardła, ust, języka i zatok oraz sposób, w jaki dźwięk odbija się w głowie i szyi danej osoby. Na sposób mówienia wpływa również wiek, stan zdrowia, lokalny akcent i osobisty styl mówienia.

Dlaczego ludzie potrafią mówić, a zwierzęta nie?

Cieszę się, że pytasz. Ludzki głos, jaki znamy, jest jak instrument dęty, opierający się na trzech głównych elementach: dźwięku, rezonansie i artykulacji. Dźwięk pochodzi ze strun głosowych. Struny głosowe to dwa elastyczne, V-kształtne pasma tkanki mięśniowej i błon śluzowych wewnątrz krtani, lepiej znanej jako „skrzynka głosowa”, która znajduje się na środku szyi. Podczas normalnego oddychania struny głosowe pozostają całkowicie otwarte, aby powietrze mogło przedostać się do płuc. Ale kiedy mówisz, mózg sygnalizuje mięśniom krtani, aby zamknęły struny, powodując ich wibracje, a tym samym tworząc fale dźwiękowe twojego głosu. Dźwięki te są modyfikowane przez rezonatory – gardło, jamę ustną i przewody nosowe – które wytwarzają rozpoznawalny głos danej osoby. Wreszcie, język, podniebienie miękkie i wargi są uważane za artykulatory, które modyfikują dźwięk głosowy i są ważne dla artykulacji samogłosek w porównaniu do spółgłosek.

Ssaki, gady, a nawet płazy mają podobną anatomię strun głosowych jak ludzie. Zwierzęta te komunikują się ze sobą za pomocą hałasów i dźwięków, takich jak szczekanie, ryk czy pisk, ale tylko ludzie potrafią wypowiadać słowa. Wynika to z bezpośredniej kontroli neuronalnej krtani, języka i warg oraz wyspecjalizowanych obszarów korowych w mózgu, które pozwalają na świadomą kontrolę nad naszymi dźwiękami, a nie instynktownymi odgłosami. Naukowcy badają te połączenia neuronalne, aby zrozumieć, jak mózg kontroluje mowę i język oraz jak może to ulec zaburzeniu w stanach chorobowych.

Komplikacje mowy w HD

Mówienie wymaga złożonych zdolności motorycznych, kontroli poznawczej i planowania na wielu poziomach, więc prawdopodobnie nie jest zaskoczeniem, że trudności w mowie są dokumentowane u osób z objawową chorobą Huntingtona od dziesięcioleci. Wczesne badania wykazały, że osoby z HD miały wolniejsze tempo mowy, dłużej wypowiadały słowa i produkowały dłuższe cisze między słowami i w ich obrębie, w porównaniu do zdrowych osób kontrolnych. Specyficzne zmiany obejmują również zwiększoną wysokość lub szorstkość głosu oraz zmniejszoną koordynację języka i warg, co utrudnia artykulację słów. Co ciekawe, niektóre doniesienia sugerują również, że deficyty mowy mogą poprzedzać wystąpienie pierwszych jawnych objawów ruchowych. Stąd uważa się, że śledzenie zmian w mowie może być cennym markerem początku i postępu choroby.

Twój głos jako biomarkerbiomarker Test dowolnego rodzaju – w tym badanie krwi, badanie myślenia i skany mózgu – który pozwoli mierzyć i prognozować przebieg choroby. Biomarkery mogą przyspieszyć badania kliniczne nowych leków i uczynić je bardziej wiarygodnymi.

„Biomarkerbiomarker Test dowolnego rodzaju – w tym badanie krwi, badanie myślenia i skany mózgu – który pozwoli mierzyć i prognozować przebieg choroby. Biomarkery mogą przyspieszyć badania kliniczne nowych leków i uczynić je bardziej wiarygodnymi.”, czyli marker biologiczny, jest formalnie definiowany jako cecha, która jest obiektywnie kwantyfikowana i oceniana jako wskaźnik normalnego procesu biologicznego, stanu chorobowego lub odpowiedzi na interwencję. Mówiąc prościej, jest to coś, co można namacalnie zmierzyć i co dostarcza informacji o tym, co dzieje się w organizmie z powodu choroby lub w odpowiedzi na leczenie. Biomarkery odgrywają kluczową rolę w wielu aspektach opieki nad pacjentami z HD i rozwoju leków. Co ważne, mogą być używane do oceny początku choroby, monitorowania jej postępu lub określania, jak dobrze działa nowa terapia. Obecnie najczęstsze biomarkery dla HD obejmują białka, które można mierzyć w płynie mózgowo-rdzeniowym (tj. lekkie łańcuchy neurofilamentów [NfL] i białko huntingtyny [HTTHTT skrócona nazwa genu, który powoduje chorobę Huntingtona, ten gen nazywany jest również HD i IT-15]), lub biomarkery obrazowania mózgu (takie jak rezonans magnetycznyrezonans magnetyczny Technika wykorzystująca potężne pola magnetyczne do uzyskania dokładnych obrazów mózgu żywych ludzi i zwierząt [MRI]), które określają objętość mózgu.

Ale zamiast inwazyjnych punkcji lędźwiowych lub kosztownego neuroobrazowania, czyż nie byłoby wspaniale mieć łatwy, nieinwazyjny sposób na regularne i potencjalnie zdalne śledzenie objawów choroby lub działania leku w badaniu klinicznym? Ostatnie badania sugerują, że może to być możliwe!

Przewidywanie wyników klinicznych za pomocą krótkiego testu mowy

Standardowa wizyta u neurologa dla osoby z HD będzie obejmować szeroki zakres ocen sprawności motorycznej, poznawczej i funkcjonalnej. Na podstawie tych wyników klinicznych klinicyści opracowali złożoną ujednoliconą skalę oceny choroby Huntingtona (cUHDRS), która łączy cechy objawów motorycznych, poznawczych i funkcjonalnych w jedną jednostkę. cUHDRS jest powszechnie akceptowanym sposobem śledzenia postępu HD i jest często używana jako punkt końcowypunkt końcowy Konkretny wynik lub pomiar, który badacze używają do oceny skuteczności lub bezpieczeństwa leczenia. Punkty końcowe są wstępnie zdefiniowane przed rozpoczęciem badania i mogą być albo pierwotne (główny wynik, który badanie ma ocenić, taki jak poprawa objawów), albo wtórne (dodatkowe wyniki będące przedmiotem zainteresowania, takie jak jakość życia lub zmiany biomarkerów). w badaniach klinicznych HD. Ale jak w przypadku każdego testu do śledzenia HD, istnieją wady: ocena ta jest często wykonywana tylko raz w roku, nie jest zaprojektowana do bardzo czułego wychwytywania zmian, a wyniki mogą się różnić w zależności od tego, kto ją przeprowadza. HD jest przecież niezwykle złożona.

W przełomowych badaniach opublikowanych w 2022 roku zespół kierowany przez Anne-Catherine Bachoud-Lévi zrekrutował 181 nosicieli genu HD z trzech francuskich kohort prospektywnych, aby uzyskać proste nagrania mowy. Nagrania te obejmowały liczenie liczb od 1 do 20 w przód, a następnie w tył w mniej niż 45 sekund. Liczenie w tył jest w rzeczywistości znacznie trudniejsze i wymaga większej pamięci roboczej, skupienia i uwagi, więc było to ważne uzupełnienie badania. Wyniki pokazały, że pewne cechy mowy mogły przewidzieć główne objawy kliniczne mierzone przez cUHDRS. Ponadto dane z obrazowania MRI wykazały, że pogarszająca się mowa wydawała się korelować z uszkodzeniem prążkowia, części mózgu najbardziej dotkniętej przez HD.

Co pokazało nowe badanie

Opierając się na tym poprzednim badaniu, zespół Bachoud-Lévi niedawno opracował narzędzie o nazwie xHD-Vox (x od eXplainable, HD od Huntington disease i Vox od voice) do śledzenia i analizowania nagrań głosu. Najpierw zautomatyzowali nagrywanie mowy za pomocą „Whisper”, automatycznego systemu rozpoznawania mowy – tak, sztucznej inteligencji (AI). Whisper został stworzony przez OpenAI, tę samą firmę, która opracowała ChatGPT.

Jak każde narzędzie oparte na sztucznej inteligencji, xHD-Vox musiało zostać zaprogramowane i przeszkolone za pomocą danych i instrukcji od ludzi. W tym przypadku patolodzy mowy słuchali nagrań głosowych osób z HD liczących od 1 do 20 w przód i w tył, ręcznie zaznaczając lub etykietując cechy ich mowy i dźwięków. Zespół Bachoud-Levi wykorzystał te dane do przeszkolenia xHD-Vox w identyfikowaniu i kategoryzowaniu cech mowy, a xHD-Vox wyodrębnił zestaw ważnych cech. Obejmowały one deficyty w artykulacji i dźwięku, zmiany w rytmie i szybkości liczenia, a także pauzy, dodawanie dodatkowych dźwięków i błędy w sekwencji liczb. Zasadniczo uczyli urządzenie komputerowe oceniać i analizować nagrania mowy pacjentów, bez potrzeby udziału ludzkiego oceniającego.

Autorzy następnie wykazali, że komputerowo oceniane cechy wokalne były silnie skorelowane z wynikami testów klinicznych, w szczególności ze złotym standardem cUHDRS, co zasadniczo czyniło go cyfrowym „biomarkerem”. Był to kluczowy krok, ponieważ dał autorom większą pewność, że ten test głosowy dokładnie odzwierciedlał podstawową biologię HD.

W następnej części badania naukowcy sprawdzili, jak dobrze xHD-Vox może śledzić postęp HD w ciągu 2 lat. Odkryli, że xHD-Vox może przewidywać spadek objawów HD w sposób podobny do tego, co klinicyści mogli przewidzieć za pomocą wyników klinicznych. Jedną z bardzo ekscytujących części tego badania jest to, że ich model może być zaimplementowany w aplikacjach mobilnych, które mogłyby być używane na smartfonie osoby do zdalnego monitorowania własnego głosu w czasie.

Jakie są następne kroki?

Wykorzystanie sztucznej inteligencji w ten sposób jest przełomowe. Jednak xHD-Vox nie jest jeszcze gotowe do szerokiego zastosowania. Zanim zostanie rozważone do powszechnego użytku, ważne będzie przetestowanie xHD-Vox w dodatkowych populacjach osób z HD oraz przetestowanie rzeczywistych nagrań głosowych za pomocą telefonów komórkowych. Mając to na uwadze, naukowcy opracowali już prototyp xHD-Vox na Androida, aby zbadać jego potencjał w zakresie wdrożenia mobilnego i zdalnego monitorowania. Nie jest to coś, co znajdziesz w swoim sklepie z aplikacjami, ale jest obecnie testowane eksperymentalnie.

Dodatkowo, to urządzenie musi zostać przetestowane w innych językach, poza angielskim. Prawdziwie skuteczny biomarkerbiomarker Test dowolnego rodzaju – w tym badanie krwi, badanie myślenia i skany mózgu – który pozwoli mierzyć i prognozować przebieg choroby. Biomarkery mogą przyspieszyć badania kliniczne nowych leków i uczynić je bardziej wiarygodnymi. musi być globalnie dostępny. Przeprowadzono tylko jedno wielojęzyczne badanie analizy głosu w HD (Fahed i in.), które skupiało się na zadaniach czytania, i to badanie wykazało, że cechy czytania były zależne od języka. Ponieważ Whisper obsługuje 96 języków, naukowcy uważają, że adaptacja xHD-Vox do nowego języka byłaby łatwa i wydajna, ponieważ obejmuje liczenie liczb, a nie czytanie słów.

Niemniej jednak, praca ta stanowi ważny krok naprzód w telemedycynie w monitorowaniu HD, z potencjałem wykrywania postępu choroby. Może to być szczególnie ważne w regionach o ograniczonym dostępie do opieki medycznej lub w społecznościach wiejskich.

Podsumowanie:

• Mowa ludzka zależy od precyzyjnej koordynacji między mózgiem, strunami głosowymi, językiem i wargami.
• Naukowcy badają te połączenia, aby zrozumieć, jak mózg wytwarza mowę – i jak ten proces zmienia się w chorobach takich jak HD.
• Osoby z HD mogą mówić wolniej, częściej robić pauzy lub mieć trudności z koordynacją dźwięków potrzebnych do wyraźnej mowy.
• Naukowcy opracowali xHD-Vox, narzędzie oparte na sztucznej inteligencji, które analizuje mowę podczas prostego zadania liczenia.
• Cechy mowy mierzone przez xHD-Vox odzwierciedlały oceny kliniczne i śledziły zmiany w HD przez dwa lata.
• Dzięki dalszym testom analiza głosu mogłaby oferować prosty, nieinwazyjny sposób zdalnego monitorowania HD.