基于腦機(jī)接口解碼大腦活動(dòng)，幫助癱瘓失語者“說話”

神經(jīng)假體是一種替代缺失神經(jīng)系統(tǒng)功能的設(shè)備，有望為因癱瘓而無法說話或打字的患者恢復(fù)交流能力。然而，人們尚不清楚無聲地嘗試說話是否可用于控制交流用神經(jīng)假體。此前研究表明，一名失語癱瘓患者的假體系統(tǒng)可以解碼多達(dá)50個(gè)詞。然而這一系統(tǒng)受限于特定詞匯表，參與者必須嘗試大聲說出這些詞，而由于癱瘓，這需要極大的努力。

2022年11月9日，加州大學(xué)舊金山分校的張復(fù)倫（Edward Chang）等人在Nature Communications期刊發(fā)表了題為“Generalizable spelling using a speech neuroprosthesis in an individual with severe limb and vocal paralysis”的研究論文。

該研究開發(fā)了一種設(shè)備，能夠在一名失語癱瘓被試者無聲地嘗試拼讀出詞匯以構(gòu)成完整句子時(shí)，解碼他的腦活動(dòng)。這些發(fā)現(xiàn)凸顯出無聲控制的語言神經(jīng)假體通過基于拼讀的方法生成句子的潛力。

在這項(xiàng)研究中，Edward Chang等人設(shè)計(jì)了一個(gè)神經(jīng)假體，可以將腦活動(dòng)轉(zhuǎn)譯為單個(gè)字母，實(shí)時(shí)拼出完整句子，并展示了在一名患者身上的應(yīng)用。

這名患者在20歲時(shí)因中風(fēng)導(dǎo)致了嚴(yán)重聲帶和肢體癱瘓，因而交流受限，現(xiàn)在已經(jīng)失語超過了15年時(shí)間。為了幫助解碼他的語言能力，研究團(tuán)隊(duì)在2019年為他進(jìn)行了腦機(jī)接口試驗(yàn)，他也是這項(xiàng)手臂與語音腦機(jī)接口恢復(fù)試驗(yàn)的第一個(gè)參與者。通過在大腦語言運(yùn)動(dòng)皮層植入腦機(jī)接口電極，監(jiān)測(cè)他試圖說出不同單詞或字母時(shí)大腦產(chǎn)生的腦電波，并進(jìn)行解析。

研究團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)其系統(tǒng)解碼與音標(biāo)相關(guān)的腦活動(dòng)，將此前方法拓展到了更大的詞匯量。在測(cè)試中，在參與者嘗試無聲地說出每個(gè)字母發(fā)音時(shí)，這一設(shè)備能夠解碼參與者的腦活動(dòng)，從一個(gè)1152個(gè)單詞的詞匯表里（能夠覆蓋超過85%的英語語句），以每分鐘29.4個(gè)字符的速度生成句子，平均字符錯(cuò)誤率是6.13%。在進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)中，他們發(fā)現(xiàn)這一方法可推廣至含有超過9000個(gè)單詞的詞匯表中（基本上是大多數(shù)人一年使用的單詞數(shù)量），平均錯(cuò)誤率為8.23%。 這些結(jié)果表明，基于拼讀方法利用語音編碼詞匯生成句子的無聲控制語言神經(jīng)假體具有相當(dāng)潛力。還需進(jìn)一步工作表明該方法是否能在更多患者中重復(fù)。 張復(fù)倫教授一直致力于解碼大腦及人類語言的研究，2021年10月，張復(fù)倫等人曾在Nature Medicine期刊發(fā)表論文。

在一名嚴(yán)重抑郁癥患者的腦部植入了一個(gè)“大腦起搏器”——慢性腦深部感應(yīng)和刺激裝置，成功地治療了一名患有嚴(yán)重抑郁癥且多次治療失敗的患者。這是多年以來將神經(jīng)科學(xué)進(jìn)展應(yīng)用于精神疾病治療的一個(gè)重要里程碑式成功。

論文鏈接： [1] https://www.nature.com/articles/s41467-022-33611-3

[2] https://www.nature.com/articles/s41591-021-01480-w

審核編輯 ：李倩