隨著科技的不斷發(fā)展，腦機接口技術正在為改善許多人的生活質量帶來希望。
近日，一項突破性的研究成果為那些因肌萎縮側索硬化癥（ALS，Amyotrophic Lateral Sclerosis）等疾病，而失去語言能力的患者帶來了一線曙光。
美國加州大學戴維斯分校的研究團隊開發(fā)了一種新型腦機接口技術。這項腦機接口技術的核心作用在于，以 97% 的準確率把大腦信號“翻譯”為語音，為語言障礙患者提供了一種全新的交流方式。
近日，相關論文以《準確、快速校準的語音神經(jīng)假體》（An Accurate and Rapidly Calibrating Speech Neuroprosthesis）為題發(fā)表在 The New England Journal of Medicine 上 [1]。
圖丨相關論文（來源：The New England Journal of Medicine）
神經(jīng)外科醫(yī)生大衛(wèi)布蘭德曼（David Brandman）對媒體表示：“我們的腦機接口技術幫助了一位癱瘓的男人與朋友、家人和看護人進行交流。我們的論文展示了迄今為止最精確的語言神經(jīng)植入物。”
這項技術的核心在于在大腦中植入傳感器，以解讀用戶試圖說話時產(chǎn)生的大腦信號。這些信號隨后被轉換成文本，并由計算機讀出來。
研究的主要參與者是 45 歲的 ALS 患者凱西哈雷爾（Casey Harrell）。當系統(tǒng)首次激活時，哈雷爾在幾分鐘之內就成功地表達出了自己的想法，這個激動人心的時刻讓哈雷爾和他的家人喜極而泣。
哈雷爾回顧自己使用這項技術的經(jīng)歷時，對媒體說：“無法交流是非常令人沮喪的，就像你被困住了一樣。這樣的技術將幫助人們重新融入生活和社會。”
這項研究是 BrainGate 臨床試驗的一部分，由美國布朗大學工程學院教授、卡尼腦科學研究所成員利霍克伯格（Leigh Hochberg）博士領導。
霍克伯格對該技術稱贊道：“凱西和其他的 BrainGate 參與者都是非常特別的。他們加入這些早期臨床試驗值得極大的贊譽。
他們這樣做不是為了獲得任何個人利益，而是為了幫助我們開發(fā)一個能夠為其他癱瘓患者恢復交流和行動能力的系統(tǒng)。”
圖丨使用腦機接口設備的哈雷爾（來源：資料圖）
2023 年 7 月，加州大學戴維斯健康中心的團隊在哈雷爾的左側中央前回植入了腦機接口設備，這個區(qū)域主要負責協(xié)調語言。
該設備由四個微電極陣列組成，共有 256 個電極，可以記錄大腦活動并檢測患者試圖控制肌肉和說話的意圖。
研究人員解釋稱：“我們正在記錄大腦試圖向肌肉發(fā)送這些命令的部分。我們其實是在傾聽這些信息，并將這些大腦活動模式轉化為音素，如音節(jié)或語音單元，然后轉化為他們試圖說出的單詞。”
研究報告涵蓋了 32 周內的 84 次數(shù)據(jù)收集實驗。在此期間，哈雷爾總共使用語音腦機接口進行了超過 248 小時的自主對話，通過面對面和視頻聊天進行交流。
他在屏幕上能夠看到解碼后的單詞，并用通過患病前的聲音樣本合成的語音讀出來。
在首次會話中，該腦機接口系統(tǒng)在半小時內的單詞準確率是 99.6%，其詞匯量為 50 個單詞。
在另一次將詞匯量擴大到 12.5 萬個單詞的會話中，系統(tǒng)在使用額外 1.4 小時的訓練數(shù)據(jù)后達到了 90.2% 的準確率。
經(jīng)過持續(xù)的數(shù)據(jù)收集和訓練，該腦機接口系統(tǒng)的準確率穩(wěn)定在 97.5%，這比許多試圖解釋人聲的手機軟件還要好。
研究人員認為，這項技術為那些想說話但無法說話的人帶來了希望。
經(jīng)過一年的使用，哈雷爾的表現(xiàn)也沒有下降。研究小組計劃在未來幾個月到幾年內，將陣列植入到更多參與者的體內。
除了語音功能，研究團隊還在不斷改進和擴展這項技術的應用。他們正在為哈雷爾的設備添加語調（音調和節(jié)奏的變化）、唱歌能力等新功能。
哈雷爾已經(jīng)能夠使用這項技術發(fā)送文本到電腦上并撰寫電子郵件，這種能力為他重新融入社會生活和工作提供了可能。
盡管這項技術取得了巨大進展，但研究人員也認識到還存在一些挑戰(zhàn)。
目前，該系統(tǒng)還不是無線的，需要通過頭部的兩個接口和四臺裝有電腦的推車來傳輸數(shù)據(jù)，這限制了其便攜性。此外，這些接口需要小心護理，以防感染。
值得一提的是，該方案與知名腦機接口公司 Neuralink 不同的是，后者以無線和微創(chuàng)著稱。
另一個問題是，這項技術是否能同樣有效地應用于語言問題更嚴重或由其他原因導致失去語言能力的患者身上，因為哈雷爾仍然能夠活動嘴巴并發(fā)出一些聲音。
盡管如此，這項研究的高精準度仍為那些失去語言能力的人帶來了一線希望。隨著腦機接口技術的進一步發(fā)展和完善，我們可以期待在不久的將來，更多的人能夠因此重新獲得交流的能力。
參考資料：
1.Nicholas S. Card et al. An Accurate and Rapidly Calibrating Speech Neuroprosthesis. The New England Journal of Medicine 391:609-618 (2024). DOI:10.1056/NEJMoa2314132
https://www.scientificamerican.com/article/brain-to-speech-tech-good-enough-for-everyday-use-debuts-in-a-man-with-als/
https://www.brown.edu/news/2024-08-14/bci-speak-again
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