隨著科技的不斷發(fā)展，腦機(jī)接口技術(shù)正在為改善許多人的生活質(zhì)量帶來(lái)希望。
近日，一項(xiàng)突破性的研究成果為那些因肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS，Amyotrophic Lateral Sclerosis）等疾病，而失去語(yǔ)言能力的患者帶來(lái)了一線曙光。
美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新型腦機(jī)接口技術(shù)。這項(xiàng)腦機(jī)接口技術(shù)的核心作用在于，以 97% 的準(zhǔn)確率把大腦信號(hào)“翻譯”為語(yǔ)音，為語(yǔ)言障礙患者提供了一種全新的交流方式。
近日，相關(guān)論文以《準(zhǔn)確、快速校準(zhǔn)的語(yǔ)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(guān)論文（來(lái)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(duì)媒體表示：“我們的腦機(jī)接口技術(shù)幫助了一位癱瘓的男人與朋友、家人和看護(hù)人進(jìn)行交流。我們的論文展示了迄今為止最精確的語(yǔ)言神經(jīng)植入物。”
這項(xiàng)技術(shù)的核心在于在大腦中植入傳感器，以解讀用戶試圖說(shuō)話時(shí)產(chǎn)生的大腦信號(hào)。這些信號(hào)隨后被轉(zhuǎn)換成文本，并由計(jì)算機(jī)讀出來(lái)。
研究的主要參與者是 45 歲的 ALS 患者凱西哈雷爾（Casey Harrell）。當(dāng)系統(tǒng)首次激活時(shí)，哈雷爾在幾分鐘之內(nèi)就成功地表達(dá)出了自己的想法，這個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)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(xiàng)技術(shù)的經(jīng)歷時(shí)，對(duì)媒體說(shuō)：“無(wú)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(shù)將幫助人們重新融入生活和社會(huì)。”
這項(xiàng)研究是 BrainGate 臨床試驗(yàn)的一部分，由美國(guó)布朗大學(xué)工程學(xué)院教授、卡尼腦科學(xué)研究所成員利霍克伯格（Leigh Hochberg）博士領(lǐng)導(dǎo)。
霍克伯格對(duì)該技術(shù)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(yàn)值得極大的贊譽(yù)。
他們這樣做不是為了獲得任何個(gè)人利益，而是為了幫助我們開(kāi)發(fā)一個(gè)能夠?yàn)槠渌c瘓患者恢復(fù)交流和行動(dòng)能力的系統(tǒng)。”
圖丨使用腦機(jī)接口設(shè)備的哈雷爾（來(lái)源：資料圖）
2023 年 7 月，加州大學(xué)戴維斯健康中心的團(tuán)隊(duì)在哈雷爾的左側(cè)中央前回植入了腦機(jī)接口設(shè)備，這個(gè)區(qū)域主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)語(yǔ)言。
該設(shè)備由四個(gè)微電極陣列組成，共有 256 個(gè)電極，可以記錄大腦活動(dòng)并檢測(cè)患者試圖控制肌肉和說(shuō)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(shí)是在傾聽(tīng)這些信息，并將這些大腦活動(dòng)模式轉(zhuǎn)化為音素，如音節(jié)或語(yǔ)音單元，然后轉(zhuǎn)化為他們?cè)噲D說(shuō)出的單詞。”
研究報(bào)告涵蓋了 32 周內(nèi)的 84 次數(shù)據(jù)收集實(shí)驗(yàn)。在此期間，哈雷爾總共使用語(yǔ)音腦機(jī)接口進(jìn)行了超過(guò) 248 小時(shí)的自主對(duì)話，通過(guò)面對(duì)面和視頻聊天進(jìn)行交流。
他在屏幕上能夠看到解碼后的單詞，并用通過(guò)患病前的聲音樣本合成的語(yǔ)音讀出來(lái)。
在首次會(huì)話中，該腦機(jī)接口系統(tǒng)在半小時(shí)內(nèi)的單詞準(zhǔn)確率是 99.6%，其詞匯量為 50 個(gè)單詞。
在另一次將詞匯量擴(kuò)大到 12.5 萬(wàn)個(gè)單詞的會(huì)話中，系統(tǒng)在使用額外 1.4 小時(shí)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)后達(dá)到了 90.2% 的準(zhǔn)確率。
經(jīng)過(guò)持續(xù)的數(shù)據(jù)收集和訓(xùn)練，該腦機(jī)接口系統(tǒng)的準(zhǔn)確率穩(wěn)定在 97.5%，這比許多試圖解釋人聲的手機(jī)軟件還要好。
研究人員認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)為那些想說(shuō)話但無(wú)法說(shuō)話的人帶來(lái)了希望。
經(jīng)過(guò)一年的使用，哈雷爾的表現(xiàn)也沒(méi)有下降。研究小組計(jì)劃在未來(lái)幾個(gè)月到幾年內(nèi)，將陣列植入到更多參與者的體內(nèi)。
除了語(yǔ)音功能，研究團(tuán)隊(duì)還在不斷改進(jìn)和擴(kuò)展這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。他們正在為哈雷爾的設(shè)備添加語(yǔ)調(diào)（音調(diào)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(xiàng)技術(shù)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(huì)生活和工作提供了可能。
盡管這項(xiàng)技術(shù)取得了巨大進(jìn)展，但研究人員也認(rèn)識(shí)到還存在一些挑戰(zhàn)。
目前，該系統(tǒng)還不是無(wú)線的，需要通過(guò)頭部的兩個(gè)接口和四臺(tái)裝有電腦的推車來(lái)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(hù)理，以防感染。
值得一提的是，該方案與知名腦機(jī)接口公司 Neuralink 不同的是，后者以無(wú)線和微創(chuàng)著稱。
另一個(gè)問(wèn)題是，這項(xiàng)技術(shù)是否能同樣有效地應(yīng)用于語(yǔ)言問(wèn)題更嚴(yán)重或由其他原因?qū)е率フZ(yǔ)言能力的患者身上，因?yàn)楣谞柸匀荒軌蚧顒?dòng)嘴巴并發(fā)出一些聲音。
盡管如此，這項(xiàng)研究的高精準(zhǔn)度仍為那些失去語(yǔ)言能力的人帶來(lái)了一線希望。隨著腦機(jī)接口技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，我們可以期待在不久的將來(lái)，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
運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍
