腦機(jī)接口設(shè)計用于檢測患者試圖說話時的大腦活動

近日發(fā)表在《自然》雜志上的兩項(xiàng)獨(dú)立研究表明，未來，腦機(jī)接口（BCI）可以幫助因嚴(yán)重癱瘓而無法說話的人恢復(fù)溝通。在這兩項(xiàng)研究中，研究人員都使用了可以接收大腦信號的大腦植入物，然后使用算法將這些信號翻譯成屏幕上的句子。雖然這不是一個新概念，但令人興奮的是，兩個研究團(tuán)隊都能夠比現(xiàn)有技術(shù)更快、更準(zhǔn)確地做到這一點(diǎn)。

在斯坦福大學(xué)的這項(xiàng)研究中，研究人員在一名肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）患者的大腦中植入了與言語相關(guān)的兩個區(qū)域的電極。腦機(jī)接口設(shè)計用于檢測患者試圖說話時的大腦活動。然后，這些信號被輸入一種算法，該算法將某些大腦活動模式與構(gòu)成語音的音素聯(lián)系起來。為了訓(xùn)練算法，研究人員讓患者嘗試在25個會話中說出或默念樣本句子，每個會話大約持續(xù)4個小時。

在加州大學(xué)舊金山分校和加州大學(xué)伯克利分校的研究中，研究人員通過手術(shù)將一張含有253個電極的紙張放在一名因腦干中風(fēng)而嚴(yán)重癱瘓的人的大腦上。與斯坦福大學(xué)的研究一樣，研究人員讓患者通過嘗試說話來訓(xùn)練算法，以便識別哪些大腦信號與不同的音素有關(guān)。然后，這些信號被轉(zhuǎn)換成面部表情，并在數(shù)字化身上調(diào)制語音。

雖然這些研究使用了略有不同的方法，但結(jié)果在準(zhǔn)確性和速度方面是相似的。斯坦福大學(xué)的這項(xiàng)研究在限制在50個單詞的詞匯表中的錯誤率為9.1%，在擴(kuò)展到125000個單詞的單詞表中的出錯率為23.8%。大約四個月后，斯坦福算法可以以每分鐘68個單詞的速度將大腦信號轉(zhuǎn)換為單詞。加州大學(xué)舊金山分校和伯克利分校的算法能夠以78wpm的中位速率解碼。119個單詞的詞匯的錯誤率為8.2%，1024個單詞的單詞的錯誤率約為25%。

盡管23%至25%的錯誤率對于日常使用來說還不夠好，但與現(xiàn)有技術(shù)相比，這是一個顯著的進(jìn)步。在一次新聞發(fā)布會上，加州大學(xué)舊金山分校神經(jīng)外科系主任、加州大學(xué)舊金山學(xué)院研究報告的合著者Edward Chang指出，與自然語音的150至250wpm相比，現(xiàn)有技術(shù)的有效溝通率在5至15wpm是“費(fèi)力的”。

Chang在新聞發(fā)布會上說：“每分鐘60到70wpm對我們這個領(lǐng)域來說是一個真正的里程碑，因?yàn)樗鼇碜詢蓚€不同的中心和兩種不同的方法?！?/p>

也就是說，這些研究更多的是概念的證明，而不是為黃金時段做好準(zhǔn)備的技術(shù)。一個潛在的問題是，這些治療需要長時間的訓(xùn)練來訓(xùn)練算法。然而，兩個團(tuán)隊的研究人員在一次簡報會上告訴媒體，他們希望未來算法訓(xùn)練的強(qiáng)度會降低。

霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的研究科學(xué)家、斯坦福大學(xué)研究報告的合著者Frank Willett說：“這些都是非常早期的研究，我們沒有一個大的其他人的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫。隨著我們進(jìn)行更多的記錄并獲得更多的數(shù)據(jù)，我們應(yīng)該能夠?qū)⑺惴◤钠渌松砩蠈W(xué)到的東西傳遞給新的人。”Willett確實(shí)注意到，這還需要更多的研究。

另一個問題是，這項(xiàng)技術(shù)必須足夠容易讓人們在家里使用，而不需要護(hù)理人員接受復(fù)雜的培訓(xùn)。大腦植入物也是侵入性的，在這些特定的研究中，腦機(jī)接口必須通過電線連接到頭骨外部的設(shè)備上，然后連接到計算機(jī)上。也有人擔(dān)心電極退化，以及這些可能不是永久解決方案的事實(shí)。為了讓消費(fèi)者使用，這項(xiàng)技術(shù)必須經(jīng)過嚴(yán)格審查，這可能是一個漫長而昂貴的過程。

此外，這些研究是針對那些仍有一定活動能力的患者進(jìn)行的。一些神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如晚期ALS，會導(dǎo)致所謂的“閉鎖綜合征”。在這種狀態(tài)下，一個人仍然有思考、視覺和聽覺的能力，但只能通過眨眼或其他小動作進(jìn)行交流。閉鎖綜合征患者最需要這種技術(shù)，但還需要更多的研究來確定這種方法是否有效。

Chang說：“我們已經(jīng)跨過了性能的門檻，我們都非常興奮，因?yàn)樗邕^了可用性的門檻。”他指出，如果這項(xiàng)技術(shù)能夠安全、廣泛地實(shí)施，它的潛在好處是巨大的?！拔覀冋谡J(rèn)真考慮這個問題，以及下一步該怎么辦。”

審核編輯：彭菁