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手写脑机接口 从科幻走入现实
2022-09-20

5月中旬,《自然》的封面发表了一项重磅研究成果:来自斯坦福大学、布朗大学和哈佛医学院的知名科学家联合开发了全新的脑机接口技术,能够帮助瘫痪病人直接将脑海里的“想法”以每分钟90个字符的速度转换为电脑屏幕上的手写文字。

这一科研成果的发布,再次将“脑机接口”这一热词纳入公众视线,引发了大众尤其是特殊人群对“人机对话”的无限憧憬和热切期待。

科幻场景成为现实

“‘手写脑机接口’技术从各个环节增强了‘打字’的准确度和加速度,让很多科幻大片中才有的场景变为现实。”近日,哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院生物体传感技术课题组曹天傲博士在接受记者采访时表示。

提到“脑机接口”技术的应用,人们常常想到史蒂芬·威廉·霍金——科学界神一般存在的物理天才。有谁能想象到,“渐冻症”让其只靠着唯一能动的双眼和3根手指与外界联系,艰难地描绘他的伟大物理学梦境。在许多科学家的帮助下,霍金也曾尝试过一段时间的“眼动追踪技术”和“脑电波识别术”,但都因不习惯以及疾病逐步恶化而放弃。

如果在今天,“手写脑机接口”技术有望让像霍金一样瘫痪、失语的患者“恢复”快速精细的动作,靠着意念快速打字交流,从而重新找回联系外界的“路径”。

脑机接口连通“信息孤岛”

人的大脑,无时无刻不进行着各种各样的复杂神经活动,大脑就是“司令部”,发出最原始的第一手信息,肢体则是下属各个“兵团”,负责执行大脑的命令,完成对应的任务。

曹天傲表示,正常人可用各种方式向周围的人表达其心意,但是瘫痪患者、失语病人以及其他各种各样表达有困难的群体却很难做到,他们犹如被流放到了“信息孤岛”上。“脑机接口技术,即通过直接探究大脑运转时内部的神经细胞簇的活动,从源头上获知‘司令部’发出的最原始的第一手信息,其原理是不同的思想活动对应不同的神经细胞簇的活动。只要能识别出神经细胞的放电模式,就能判断出对应的思想活动轨迹,实现对被试者大脑活动的破译工作。”

在此之前,脑机接口技术已经成功帮助瘫痪患者做简单的动作。继马斯克公司在今年4月向公众展示猴子用意念玩游戏后,脑机接口研究便被瘫痪病人寄予了更大期望。当前,最新的专门用于打字的脑机接口技术更为灵活,使瘫痪病人的打字交流速度明显加快,且无须视觉提示,不占据用户的视觉注意力,对大脑损害小。

用脑信号打字不再是梦

曹天傲表示,该技术首先选取了植入大脑的微型电机阵列,保障了脑电信号的采集质量及其丰富性。“脑电信号是大脑中多个神经细胞活动的外在表现,且信号质量随着远离神经细胞簇而降低。针对‘打字’这项艰巨的任务,非侵入式的表面头皮脑电信号无法满足要求。而微型电机阵列好比国际象棋的棋盘,在用户想象要写的字母时,植入大脑的电极可以捕捉和测量许多神经元的电活动,更加精确地落实大脑‘司令部’的详细指令,以满足‘打字’的要求。”

曹天傲解释说,脑电信号采集并去除噪声后,需要解码其中包含的“打字”内容。研究人员用人工智能模型学习神经活动和真正写字时手指活动的映射关系,针对特定的手指活动对应特定的字符,从递归神经网络学习每个字母产生的神经活动模式,并分析这些活动模式在多个试验中的关系,利用降维手段生成聚类图。算法会用此信息预测当前试验中参与者所想象的字母,并将相关预测转换为印刷输出。然后再用一个语言模型(通过前几个字符预测下一个字符)对输出的初始结果进行校正,使最终屏幕上呈现的结果(文字)更加精准。