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解碼人類言語的新突破口被發現了?

2020-01-02 10:32:03  來源:學術經緯

2020年,小時候經常出現在科幻小說里的年份,竟然,真的,要來了!!

汽車天上飛、機器人做家務、衣服自動調節溫度、一些人移民火星、腦電波傳送意識……這些曾經被“設定”在2020年的世界??苹秒m然沒有完全變成現實,但我們無疑正在見證很多新技術的誕生,有些進展甚至超越曾經的想象。

圖片來源:Pixabay

腦機接口(BCI)就是一項聽起來頗為科幻的技術,它借助對神經電活動信號的解讀,實現外部設備與大腦的信息交流。最近,來自斯坦福大學的神經外科專家和工程師聯合,在腦機接口領域取得的意外發現,顛覆了人們過去幾十年對大腦的認識,也提供了一條新途徑,未來可以讓研究人員幫助喪失說話能力的人恢復言語。

 ▲研究成果發表在著名開源期刊eLife

▲研究成果發表在著名開源期刊eLife  1930年代,神經外科醫生Wilder Penfield與同事提出過一個模型,來解釋大腦如何控制動作。在大腦橫跨頭頂位置的一長條區域,也就是運動皮層,不同的片區分別控制著手、腿、臉等不同部位的動作。

后來的研究逐漸讓這個簡化的模型更復雜,比如發現負責手指、手掌等細分部位的腦區有一定交叉。但總的來說,正如我們在神經科學教科書上??吹降?ldquo;運動小人”模型所示:人體各個主要部位受到皮層不同區域分別控制。

 ▲“運動小人”的器官越大,說明大腦負責該器官動作的運動皮層區域越大(圖片來源:123RF)

▲“運動小人”的器官越大,說明大腦負責該器官動作的運動皮層區域越大(圖片來源:123RF)  在十年前啟動的一項臨床試驗中,研究腦機接口的科學家們開始在一些志愿者的大腦皮層植入特殊的傳感器,讀取特定腦區的神經元信號,并用算法把信號轉化為動作,目的是讓這些癱瘓的志愿者靠“意念”控制計算機和假肢之類的設備。

在其中幾名參與者的大腦中,傳感器就被放置在他們運動皮層內一個被稱為“把手(hand knot)”的區域。這個區域過去一直被認為與手和手臂的動作有關。

2017年,斯坦福大學的電氣工程學家Krishna Shenoy教授和神經外科專家Jaimie Henderson教授聯合,發表了該項目的一項重磅進展:他們利用這一腦機接口解碼了該腦區神經元的“運動手和手臂”的信號,讓幾名癱瘓人士成功實現了精準快速的意念打字!

▲植入大腦運動皮層“把手”區域的兩個傳感器,可以記錄該區域的神經活動(圖片來源:Jaimie Henderson /斯坦福大學)

▲植入大腦運動皮層“把手”區域的兩個傳感器,可以記錄該區域的神經活動(圖片來源:Jaimie Henderson /斯坦福大學)  當Shenoy教授和Henderson教授共同領導的研究團隊在繼續解碼這幾名志愿者腦中的神經信號時,這一次有了出乎意料的新發現!

第一作者Stavisky博士介紹,參與試驗的2名患者因脊髓損傷而四肢癱瘓,但仍然可以說話。于是,研究人員得以在志愿者大聲說話時,去查看他們運動皮層手部活動相關區域的神經活動。“這是一個典型的‘我不知道會發生什么’的研究,”Shenoy教授說,“但我們說:試一試吧。”

 ▲傳感器上的電極陣列能以單個神經元的分辨率記錄志愿者的神經活動信號(圖片來源:Howard Hughes Medical Institute,Credit:Peter Barreras)

▲傳感器上的電極陣列能以單個神經元的分辨率記錄志愿者的神經活動信號(圖片來源:Howard Hughes Medical Institute,Credit:Peter Barreras)  結果,Stavisky博士和同事們發現,給出“開始說話”的提示后,志愿者的神經元活動竟然也發生了明顯的變化。這些神經元本該在控制手和手臂運動時活躍,沒想到的是,它們在志愿者發聲說話時也變得活躍。

不僅如此,當志愿者發出的聲音不同,這些神經元的活動模式也有所不同。研究者向志愿者提供了10個詞組成的列表,分別記錄他們在說每個詞時的神經信號。通過分析神經活動模式,研究人員可以識別出志愿者是在說哪個詞,在2名志愿者中的準確率達到85%和55%!

Stavisky博士表示,他們接下來想要在志愿者說更長句子和段落時,記錄這一腦區的神經活動。然后,通過解碼神經信號,來重現志愿者說的話。

▲這項研究的三位主要作者Stavisky博士、Shenoy教授和Henderson教授(圖片來源:Howard Hughes Medical Institute,Credit:Jaimie Henderson)

▲這項研究的三位主要作者Stavisky博士、Shenoy教授和Henderson教授(圖片來源:Howard Hughes Medical Institute,Credit:Jaimie Henderson)  腦機接口領域的另一位知名科學家、加州大學舊金山分校的Edward Chang教授評論說,“這篇論文讓我感到非常興奮。它引發了一個問題:大腦特定區域的功能分配有多強的排他性……我認為這(缺乏排他性)是我們過去沒有充分意識到的。”

這也意味著,讓失去說話能力的人重新發聲說話,運動皮層中與手部動作有關的區域或許是一個過去未知的突破口。

研究人員們希望在這項發現的基礎上,未來可以打造一種植入大腦的醫療設備,幫助失去了說話能力的人恢復言語能力。談及這種設備預計何時會變成現實,Shenoy教授說:“我認為在未來10年我們可以看到一些東西。”

我們期待下一個10年的進步和突破,讓科幻照進現實。

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