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每分钟8个单词用脑波实时聊天即将成为可能_[#第一枪]

发布时间:2021-06-07 12:56:29 阅读: 来源:球磨机厂家

斯坦福科研人员问道:「谈谈上次去科罗拉多大峡谷的旅游经历吧,什么东西给你留下了最深的印象?」

坐在对面的妇女并未对这段美好回忆侃侃而谈,而是盯着一台被 26 个字母和一些功能键占满的电脑显示器。屏幕上的光标不断游移,在硕大的字母按键之间跳跃,每次停留都只能选择其中一个字母。而控制这些光标移动的,并不像正常人一样握着鼠标点击的那么轻松。

她由于身患肌萎縮性脊髓側索硬化症(简称 ALS,又称卢·格里克氏症)而全身瘫痪,因此无法使用手进行控制。不过,使用植入到大脑中的芯片她能够移动屏幕上的光标,然后选择想要表达的字母。

在缓慢的光标游移中,通过字母的组合她在屏幕上打出了「I enjoyed the beauty,」(我非常享受那边的旖旎风光)。

同期参与本次科研项目的共有三名,在不懈努力下项目的科研结果出版在今天的期刊《eLife》上,介绍了瘫痪患者在利用脑机接口(BCI)方面取得的突破性进展。这名妇女主要负责测试这款卓越设备的「free typing」(自由打字)能力,围绕着科罗拉多大峡谷的旅游经历,根据她所选择的问题进行自由回答。

而另一名患者,因脊髓损伤而瘫痪的 64 岁男子则负责测试设备的「copy typing」(复制打字)功能。他负责复制打字类似于「The quick brown fox jumped over the lazy dog。」(敏捷的棕色狐狸跳过这条懒狗。)这样的句子,最终测试结果显示每分钟能够输入 8 个单词。

科研团队的重要成员、斯坦福神经外科医生 Jaimie Henderson 说道,这个输入速度是此前全球最佳记录的四倍。团队表示未来将进一步改善用户界面,包括常见于智能手机的联想自动完成软件等等,将会大幅提升输入性能。

这台实验性质的设备距离临床使用还有很长的距离:为了能够让植入到大脑的芯片对外发送数据,项目参与者需要佩戴专用的头戴式组件,并通过线缆连接到计算机上。为了让这款设备能够应用于瘫痪患者的日常生活,而不是仅仅局限于实验室,Henderson 所带领的团队在 BrainGate 财团(由多所大学合作成立)的多方位支持快速发展。在接受外媒 IEEE Spectrum 采访时,Henderson 表示:「我们的所有研究都是为了帮助残疾人。」

尽管通过脑部手术来植入安装芯片显得有点偏激,但是 Henderson 的团队在近期的调查中发现,瘫痪患者对于尝试使用各种 BCI 技术的意愿非常高。如果这款原型设备能够实现无线,如果能够让他们每分钟输入 2 个单词,大约有 30% 的受调查的脊髓严重患者表示愿意进行大脑植入,

这套系统的工作原理是这样的:首先将微型芯片植入到运动皮质(支配对侧躯体随意运动的中枢)上,该芯片只有最低剂量的阿司匹林大小。即使瘫痪无法移动,但是患者依然能够产生类似于移动右手的思想,而植入芯片的电极阵列就能记录神经元触发(fire)发送的电信号。而 BrainGate 解码软件能够截取这些信号,并转换成为移动电脑光标的指令。

更为有趣的是,当科研人员为不同项目参与者进行个性化设置的时候系统依然能够很好的完成任务。为了提升解码能力,每位参与人员都需要想象一系列不同的移动方式(例如抬起整个右臂或者摆动左手拇指),科研人员对电极记录的数据进行分析,从而尝试找到最明显和最可靠精准的信号。

每名参与者最后都想象成不同的移动方式来控制光标。患有 ALS 的妇女想象成通过 移动食指和大拇指来分别控制光标左右和上下移动。Henderson 表示经过一段时间的磨合,她不再需要思考如何控制这两个拇指移动。他说道:「当她熟练掌握后,她表示并不需要额外的思考,她感觉就像是在操控一个操纵杆。」

而那名因脊髓损伤的男性参与者则想象成移动整个手臂,就像是在平面上滑动冰球。Henderson 表示:「每名参与者的控制方式都能得到很好的兼容和发挥。」

在启动这项研究之前,Henderson 所带领的科研团队层在猴子和人类志愿者上进行了大量研究。在 2015 年对人类的研究中,科研人员尝试了全新的解压算法从而更精准的了解用户想要移动的方向。通过名为 Dasher 的单词预测软件,证明这款软件能够胜任打字输入任务,能够让 ALS 患者每分钟打 6 个单词。

2016 年对灵长类动物的研究项目中,对这个升级版算法进行了测试:不仅能够精准的确认光标移动的方向,而且还能确认用户是否想要点击某个东西。通过这个点击式系统,在猴子上的试验证明了能够移动光标到高亮的目标上。

通过将高亮的目标转换为字母,科研人员让猴子模拟打字任务。然后敲击字母的组合,形成各种句子,类似于哈姆雷特的经典句子「To be or not to be——that is the question。」等等。测试结果显示这些猴子最高能够达到每分钟 12 个单词的速度。当然,它们并不能理解敲打这些句子所代表的含义。

而在最新研究报告中所使用的升级算法,能够更加自然的提出问题或者进行回答。这份报告的联合作者,同时也是斯坦福大学新 Brain Interfacing Laboratory 主任 Paul Nuyujukian 表示,哪怕是本次项目的参与者,她们也不是很了解自由打字所代表的含义。

Nuyujukian 表示:「这个项目的部分疑问显然需要等待临床测试才能得到回答。当这些人能够综合表达他们想要传达的内容,那么是否可以进行实时通讯?而这些东西显然不可能在猴子上试验得出。」他表示,在犹豫选择什么答案的心理行为极有可能在通讯过程中产生干扰。

解码器的不断成熟已经证明在未来能够胜任这项任务,标志着这项实用的通信技术正一步步走向寻常百姓家中。

不过项目所迎接的挑战依然非常巨大:BrainGate 研究人员想要研发能够完全植入,无线的系统,而且并不需要频繁的校准来确保解码器正常工作。Henderson 表示在 BrainGate 集团的投资下,正朝着所有预期目标推进。

一旦 BCI 设备经过打磨精炼,不仅仅能够输入打字系统,还能控制其他东西。瘫痪患者能够使用脑电波来控制轮椅,机器人手臂,或者能够通过电极来刺激他们沉睡/萎缩的肌肉。

斯坦福大学的科研人员表示共同参与本次试验的三名参与者,不仅对项目理论进行了验证测试,而且也为技术的研发提供了资金方面的支持。在每个测试环节,科研人员表示这些参与人员都对系统的运作提供了很多有用的反馈。

Nuyujukian 回忆道,当科研人员正和那位身患 ALS 的女性测试者测试光标控制的算法时候,她说道有:「有些东西发生变化了,光标并不能向右移动。」Nuyujukian 回忆道:「经过第二天的测试,我们发现她是对的,我们在代码中发现了一处错误。」

via IEEE.spectrum

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