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腦機接口新突破:癱瘓人士可用意念寫字了

2023-05-11 14:32

2021年5月12日,《自然》發(fā)布封面文章:斯坦福大學(xué)的科學(xué)家結(jié)合腦機接口與人工智能,創(chuàng)建了一套皮質(zhì)內(nèi)腦機接口系統(tǒng),此系統(tǒng)可將大腦控制“手寫”的神經(jīng)活動破譯為“筆跡”,再把“筆跡”實時轉(zhuǎn)化成電腦屏幕上的文本,從而幫助癱瘓人士實現(xiàn)超越物理限制的“腦寫”。這一創(chuàng)舉是科學(xué)界的首次。

參與此項目的志愿者代號T5,是一名現(xiàn)年60歲的白人男性,在2007年因脊髓受傷而失去了脖子以下幾乎全部的運動能力。2016年,T5參加了BrainGate2項目,該臨床試驗項目旨在開發(fā)和測試實用的創(chuàng)新醫(yī)療設(shè)備,尤其是腦機接口——可植入并從大腦直接讀取電活動的小型計算機芯片——幫助患有神經(jīng)系統(tǒng)疾病、癱瘓或肢體殘疾的人群恢復(fù)與溝通和運動能力。

在此項研究中,項目帶頭人弗蘭克?威利特(Frank?Willett)和同事在T5的左腦放置了2塊計算機芯片,每個芯片的尺寸差不多是嬰兒劑量阿司匹林(81mg,成人劑量為?325mg)的大小,且?guī)в?00個電極。

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他們要求T5想象自己正執(zhí)筆在紙上書寫單個字母(雖然他無法真的動手寫字),當(dāng)參與者進(jìn)行此類嘗試時,威利特等人記錄下了可能控制這一過程的神經(jīng)活動。具體過程是這樣的:大腦運動皮層(控制手部運動的區(qū)域)的神經(jīng)元發(fā)出信號→芯片上的電極接收到這些神經(jīng)信號→信號通過電線發(fā)送至計算機。

威利特等人記錄下大量“腦寫”的神經(jīng)活動過程作為素材訓(xùn)練AI算法,令其解碼神經(jīng)信號,推測T5的手和手指的運動。

歷經(jīng)高強度訓(xùn)練,研究團隊的算法最終實現(xiàn)了高達(dá)94.1%的準(zhǔn)確率;他們在添加自動校正功能后,準(zhǔn)確度更是提高到99%。你沒聽錯,連接上該系統(tǒng)的T5的“腦寫”成功率至少?94%,而他的“碼字”速度達(dá)到了每分鐘18個單詞。

此外,新研究也顯示了一個重要結(jié)果,那就是即便癱瘓了十多年后,人的大腦仍能就“碼字”工作(包括字母和各種標(biāo)點符號的書寫)產(chǎn)生確切的神經(jīng)活動模式。

另一方面,研究者指出,在解碼神經(jīng)信號時,有些字母比其他字母更難以分辨,例如,字母r、h和 n的書寫所需的手部運動比較相似,其對應(yīng)的運動皮層的活動也就不易區(qū)分了。這一問題在某些其他語言中會被進(jìn)一步放大,像泰米爾語有247個字母,而且其中許多看起來很相似,這可能會使AI感到困惑。

該研究論文的作者之一、斯坦福大學(xué)霍華德?休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員克里希納???謝諾伊(Krishna Shenoy)表示,此次研究的最大創(chuàng)新在于首次破譯了與手寫筆跡有關(guān)的大腦信號,可以讓癱瘓患者不用手也能快速打字。

美國華盛頓大學(xué)的神經(jīng)工程專家艾米?奧爾斯博恩(Amy?Orsborn)并未參與這項工作,不過稱這是“皮質(zhì)內(nèi)腦機接口的一項非凡進(jìn)步,因為它在寫字速度和準(zhǔn)確性方面取得了

巨大飛躍”,但她也表示,此類“腦寫”系統(tǒng)要實現(xiàn)真正的應(yīng)用,還有很長一段路要走,“他們只是在一個人身上短暫地演示了此算法。如何擴展這項工作,保證算法每天都能正常工作并對每個人有效,是一個令人興奮的新挑戰(zhàn)”。

未來,當(dāng)一個人因受傷或疾病而四肢癱瘓,甚至不能說話時,只要大腦的神經(jīng)活動仍然存在,患者就有可能恢復(fù)交流能力。

*資料來源The Guardian

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