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比打字快5倍?科学家利用大脑电极实现将思想直接转化为语言!

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发表于 2019-3-12 19:43:43 | 显示全部楼层 |阅读模式
  长岛范斯坦医学咨询所(Feinstein Institute for Medical Research)的神经外科医师Ashesh Mehta正正在为他的癫痫病人举办脑外科手术,以确定癫痫的病因。但这位病人准许做更众的事宜:他应许加入一项大胆的测验,为什么说这项测验是一项大胆的测验呢?由于这项测验的最终对象是将思念直接转化为发言。
  像往常相同,脑外科医师一入手下手正在病人的头皮上开了一个口儿,轻轻地把它离开,映现头骨,然后,他正在骨头上钻了一个3英寸的圆孔,深度直达一个被称为硬脑膜的又厚又硬的笼罩层。他把硬脑膜切开,正在他做的这个小暗语里,有一个闪闪发光、带着血黑点的锡灰色大脑,这颗大脑盘算让脑外科医师像间谍看守外邦大使馆那样逼近己方:脑外科医师正在大脑上安置了。

  长岛范斯坦医学咨询所(FeinsteinInstituteforMedicalResearch)的神经外科医师AsheshMehta正正在为他的癫痫病人举办脑外科手术,以确定癫痫的病因。但这位病人准许做更众的事宜:他应许加入一项大胆的测验,为什么说这项测验是一项大胆的测验呢?由于这项测验的最终对象是将思念直接转化为发言。
  正在手术台上,Mehta战战兢兢地正在病人大脑的左侧外外插入了一组扁平的微电极阵列,笼罩了大脑凝听演媾和构想演讲的区域。当一片面正在听心坎的音响说他念说的话时(平日速率额外之疾,以是险些是没成心识的),通过偷听他大脑灰质中的电脉冲,然后将这些信号无线传输到电脑解码,电极和编制的其余局限就将会超越“运动”和“感到”成为第一个“大脑-准备机接口”。
  假若一概亨通的话,这项测验将会屈服该周围的“珠穆朗玛峰”:咨询职员将可能开辟一种大脑-准备机界面,使脊髓受伤、闭锁归纳症、ALS或其他瘫痪状况的人或许再次言语。
  这项手艺不须要让这些病人有技能说出莎士比亚的独白。所以,越来越众的专家以为,得益于神经科学、工程学和机械练习方面的平行前进,一个或许解读一片面是否正在安静地说“是”、“不是”、“饿了”、“痛了”或“念喝水”的编制现正在曾经唾手可得。
  加州大学伯克利分校的布莱恩·Pasley说:“咱们以为咱们对编码无声发言的大脑信号曾经有了足够的领略,咱们很疾就能做出少许适用的东西出来,纵然是最微不够道的事,对病人来说也额外成心义,我笃信这是可能杀青的。”
  正在他日,Facebook和其他公司也会设念近似的手艺,助助消费者将念法直接转化为短信和电子邮件,而无需打字或操纵Siri。
  第一个大脑-准备机接口(brain-computerinterfaces,BCI)读取运动皮层中与运动贪图相对应的电信号,并操纵软件将这些信号转换成操作准备机光标或呆板手臂的指令。2016年,匹兹堡大学(UniversityofPittsburgh)的科学家们则更进一步,他们正在一只由大脑管制的呆板臂上推广了传感器,如许它就能出现触觉。
  尽量媒体对它们举办了恣意报道,头像网但正在大脑-准备机接口最初的原型显露十众年后,它们并没有正在人们平常存在中获得平常使用,以至对待大无数人来说还触弗成及。很众项目正在最初的兴奋事后都陷入了苦苦挣扎。匹兹堡大学的JenniferCollinger一经助助研发了触觉呆板手臂,她说,大无数如许的编制须要笨重的电缆,以及装有信号了解仪和其他电子修立的大盒子。她和她的同事近来从美邦邦立卫生咨询院(NationalInstitutesofHealth)得到了800万美元的拨款,用于资助正在匹兹堡的更众患者,并络续校正该修立。
  其余,Collinger说,目前的大脑电极只可操纵几年,这意味着人们须要频频举办脑部手术,况且目前的BCI编制固然正在测验室里浮现还可能,但正在实际存在中还不足牢靠。
  发言BCI面对着的报复则还要高得众。解读一个词的贪图须要阅读更众的大脑信号,而不单仅只是运动信号,而且目前咱们还不明白大脑的哪些区域加入了这个进程。日内瓦大学(UniversityofGeneva)的斯蒂芬妮·马丁(StephanieMartin)于旧年凭着她正在发言BCI方面的咨询开展取得了一个奖项,她说,目前首要的离间是发言编码进程,这个进程产生正在一个平常的大脑收集中,而咱们目前的纪录手艺无法以足够高的时空区别率来监控所有大脑。
  咱们大脑吵嘴常嘈杂的,编码发言的脑电举止往往会被其他脑电信号息灭。她说:“这使得高切实度提取语音形式变得额外疾苦。”
  马丁是一个欧洲大脑举止语音解码同盟的成员,她说,目前针对瘫痪、患有ALS或其他疾病而无法言语的病人所涉及的辅助手艺“并不吵嘴常自然和直观”。正在现有的手艺中,患者须要盯着屏幕上显示的字母,然后头皮电极再感知编码眼球运动和职位的脑电波,所选的字母将会拼写成单词,语音合成器再高声说出这些单词。已故宇宙学家斯蒂芬·霍金患有肌萎缩性侧索硬化症,他即是操纵如许的编制。但马丁说,科学家们以为,假若“直接运用发言的神经干系”的话,他们可能做得更好。
  早正在2007年,波士顿大学的准备神经学家FrankGuenther就开辟出了第一个发言BCI。咨询职员将电极植入一名患有闭锁归纳症的男人的大脑中,监听他大脑运动皮层的谈话贪图。他们采纳到与挪动舌头、嘴唇、喉部、下颚和脸颊相对应的信号,民生这些信号会出现特定的音素(尽量这项咨询只涉及元音)。
  正在Guenther的互助家,精神病学家PhilKennedy与联邦强壮囚禁机构产生冲突、并被禁止正在更众的病人身上植入电极之后,这个项目就了结了。Kennedy对该周围的舒缓开展感触扫兴,2014年,伯利兹的一名神经外科医师为他的大脑植入了电极、一个功率线圈和收发器,起先他坊镳遭遇了脑毁伤。
  其他神经科学家没有被这些声望上的窒碍所吓倒,他们正与电子工程师互助开辟一种囊括植入物、译码器和语音合成器的编制,这种编制可能读取病人念要外达的词语(编码正在大脑信号中),这些词语随后将会被转换成听得睹的语音。发言BCI有一个方面不妨有一天会使得这种手艺获得平常操纵,那即是,Guenther说:“这种硬件要比花费数十万美元的机械人手臂低廉得众。”
  Guenther说,他正在2007年的编制“以这日的模范来看曾经相当陈旧了”,我不以为(阻塞发言BCI的)题目是无法治理的。
  哥伦比亚大学(ColumbiaUniversity)的电气工程师尼马·梅斯加拉尼(NimaMesgarani)同样以为这些题目可能获得治理。Nima现正在正正在教导一个项目,旨正在操纵像Mehta植入的那些电极所采纳到的信号来从新机闭发言。
  这种修立或许事业的道理是人类的大脑不会正在幻念和实际之间做出硬性的区别。当大脑设念某件事的岁月,神经元的举止正在职位和形式上与它正正在做某事的岁月极其相仿。南瓜派的大脑设念图像正在视觉皮层出现的举止与你看到一个真正的南瓜派时额外相仿;设念跳投会激起的神经元举止和真的跳投所出现的的神经元举止也别无二致。
  Mesgarani说,无声发言也是云云:正在不动嘴唇或舌头的情景下彩排你要说的话,“会出现和实践言语相同的大脑举止形式”。
  正在心坎听你己方的无声演讲也相同。伯克利的Pasley说:“把它念成大脑的耳朵”。说长颈鹿(giraffe)这个词,然后再默念。正在你的大脑中,这个单词第二个音节该当比第一个音节听起来更嘹亮,况且不妨会进步音高。Pasley诠释说,这些和单词的其他性子组成了这个单词的光谱图。
  至闭紧急的是,与“大脑的耳朵”相对应的大脑举止产生正在听觉皮层,而听觉皮层也能听到外界的音响:Pasley和他的同事不才个月的《大脑皮层》(braincortex)杂志上公告的一篇论文中称,这种重迭“是实际性的”。
  这使得“”可能大概地重修咱们脑中无声的发言。正在马丁和Pasley于伯克利大学举办的一项咨询中,咨询职员央求正在大脑中植入了电极的加入者去设念己方正正在大脑中高声说出牛仔、逛水、蟒蛇和电话等一系列单词。不幸的是,软件对“勺子”和“疆场”等词的大脑信号的诠释切实性仅略高于50%。但这曾经是一个很大的前进了,早期的编制正在识别大脑举止正在隐藏谈话的编码信号时,它区别哪些是元音哪些是子音(以至都不是一个完备的单词)的无误率要低于40%。
  伯克利分校的咨询结果足以注明这一观点,但也只是仅此罢了。Mesgarani说:“(从那项咨询和近似的咨询中)重修的发言根底无法明确,咱们正正在奋发取胜这个可明确性报复。”
  他说,取胜这个报复最好的格式即是通过机械练习,或者操练软件来诠释与无声发言相对应的大脑举止,从它己方的纰谬中练习,然后慢慢变得更好。
  为了验证他的念法,Mesgarani和Mehta举办了互助,Mehta为这项咨询招募了5名癫痫患者。正在他们的手术进程中,他正在病人听觉皮层的两个区域的外外就寝了电极网格(这个平面阵列被称为皮质电图),这两个区域分离是颞横回和颞上回。后者包蕴威尔尼克发言区(该区域担当确定操纵哪些词)。这两个脑回区域都涉及四处修发言的特性,搜罗音量、语调、频率,以及至闭紧急的音素——组成白话的最小的音响单元,如“sh”。
  然后志气者们听其他人说数字(一、二、三等),并听30分钟的故事,正在这个进程中,声学执掌软件提取了志气者因为听发言所惹起的神经举止(本色上是一组纷乱的脑电信号序列)。随后,Mesgarani和他的团队开辟的一个“深层神经收集”(基础上可能估计出对应神经举止的发言音响)再对这种举止举办了解,了解获得的推论又会被转换回电信号,发送到一个音响编码器(音响编码器是一个可能凭据电信号的特性,如频率和其他听觉元素出现音响的合成器)。
  所有进程就像把一辆法拉利的操作手册从意大利语翻译成英语,再从英语翻译成日语,然后又从日语翻译成意大利语相同:最终的版本听起来和原版时常根底不相同,这也是之前闭于大脑-准备机语音接口咨询所获得的结果:一串险些听不懂的音响。Mesgarani说:“正在这之前,你以至不行很好地凭据电子数据来重修发言。”
  他的大脑-准备机界面所面对的测试是音响编码器发出的轻微音响是否与故事的音响和加入者听到的数字有任何相仿之处。科学家们正在bioRxiv预印本网站上公告的一篇论文中称,这个大脑-准备机界面编制的发言无误率抵达了75%,比拟之下,早期发言BCI无误率唯有一半众一点;这篇论文尚未经历同行评审,但作家已将其提交给一家期刊。
  将或人对某一特定发言外达方法的一齐神经反响(众次反复)均匀起来,可能进步重修合成发言的切实性,读取阵列中128个电极的更众读数也有相同的结果。
  Mesgarani说,咨询的下一步是测试通过设念言语所惹起的大脑信号的深层神经收集。他说,“以前的咨询曾经注明,”探测编码这种无声发言的信号是“不妨的”;发言执掌和发言合成器才是咨询从来此后的瓶颈。
  他说,通过校正潜正在发言BCI的后端,“对待从大脑举止中出现切实、可明确的重修发言,咱们有了一个很好的框架”,他称之为“迈向下一代人机交互编制的一步……为瘫痪和闭锁归纳征患者供职”。
  一入手下手为残疾人供给的手艺不妨会惠及到其他一齐人(两者次第不妨会反过来)。正在麻省理工学院(MassachusettsInstituteofTechnology)2017年举办的一次神经手艺聚会上,Facebook公司的马克?切维莱特(MarkChevillet)将该公司“打字的念法”BCI咨询的指引思念描绘为一个题目:“假若你能直接用大脑打字会如何样?”
  他指引的这个项目旨正在“开辟一种无声的语音界面,让你以比打字疾5倍的速率天生文本,即每分钟100个单词”。该公司正正在咨询能否非侵入性地检测到高质地的神经信号,以切实解码成音素(由于纵然是最狂热的facebook用户也不太不妨为了打字疾点而举办脑部手术)。假若可能的话,下一步即是将这些信号输入一个将音素序列与单词配对的数据库,然后操纵特定于发言的概率数据来预测这些信号最有不妨展现的单词(很像Gmail内部的主动填充)。
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