腦機(jī)接口（BCI）技術(shù)新進(jìn)展又一次登上國際頂級期刊Nature的封面！

美國斯坦福大學(xué)研究人員首次破譯了與手寫書信相關(guān)的大腦活動，并結(jié)合人工智能（AI）算法，實(shí)現(xiàn)“意念”寫字。

這使得癱瘓患者只需腦補(bǔ)“手寫文字”，他所想的文本就會實(shí)時顯示在屏幕上。

在這項研究中，患者每分鐘可鍵入90個字符，接近同齡正常人使用智能手機(jī)時每分鐘115個字符的速度——是以前用這類腦機(jī)接口（BCI）研究打字記錄的2倍多，準(zhǔn)確率更是高達(dá)99％以上。

這項堪稱腦機(jī)接口新里程碑的研究，登上了全球首屈一指的科學(xué)期刊Nature最新一期的封面。論文題目為《通過手寫進(jìn)行高性能的腦對文本交流（High-performance brain-to-text communication via handwriting）》。

美國斯坦福大學(xué)霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）的研究員Krishna Shenoy是這項研究的合著者，與斯坦福大學(xué)神經(jīng)外科醫(yī)生Jaimie Henderson共同推進(jìn)這項工作。

Shenoy認(rèn)為，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這項創(chuàng)新可能使癱瘓的人無需用手就能快速打字。

一、聚焦手寫表達(dá)方式，解碼大腦神經(jīng)活動信號

當(dāng)受傷或疾病剝奪了一個人的移動能力時，走路、喝杯咖啡或者說一句話的大腦神經(jīng)活動仍然存在。

研究人員可以利用這項活動，來幫助癱瘓患者或截肢患者恢復(fù)失去的能力。不過，具體的需求也因殘疾的性質(zhì)而異。

有些失去雙手的人依然可以用語音識別軟件，而對于無法發(fā)聲的人，科學(xué)家們正開發(fā)其他方法來幫助他們與人交流。

這一次，斯坦福研究人員將目光聚焦于經(jīng)典的自我表達(dá)方式——手寫。

近年來，本論文作者Shenoy的研究團(tuán)隊解碼了與語音相關(guān)的神經(jīng)活動，希望再現(xiàn)語音。比如他們曾在另一項研究中涉及一種方法，讓植入傳感器的患者“意念”移動計算機(jī)屏幕上的光標(biāo)，選擇虛擬鍵盤上的字幕進(jìn)行打字。通過這樣的方法，患者每分鐘可輸入大約40個字符，這是以前使用腦機(jī)接口打字的速度記錄。

但問題是，直接腦補(bǔ)人的“筆跡”是否可行？

Shenoy團(tuán)隊中的一位神經(jīng)學(xué)家Frank Willett想知道，能不能利用用筆在紙上寫字時引發(fā)的大腦信號，來找到讓人們交流更快的新方法。

二、區(qū)分不同字母活動信號，65歲癱瘓者也可正常打字

當(dāng)下，該臨床試驗(yàn)試驗(yàn)正在測試腦機(jī)接口的安全性，腦機(jī)接口能將信息直接從參與者的大腦發(fā)送到計算機(jī)。

該實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人是布朗大學(xué)麻省總醫(yī)院和普羅維登斯醫(yī)學(xué)中心的神經(jīng)科醫(yī)生和神經(jīng)科學(xué)家Leigh Hochberg，他將兩個微小的傳感器植入癱瘓者大腦控制手和手臂的部分，從而讓癱瘓者實(shí)現(xiàn)一些行動。例如，讓癱瘓者嘗試移動已癱瘓的手臂，從而在屏幕上完成移動機(jī)械臂或者光標(biāo)的效果。

▲算法可追蹤對象假想中筆的運(yùn)行路徑

這一患者在參與研究時年僅65歲，患有脊髓損傷，脖子以下癱瘓。當(dāng)他想象在寫作時，團(tuán)隊能利用傳感器從單個神經(jīng)元中拾取信號，再通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法識別出他的大腦隨每個字母產(chǎn)生的模式。借助該系統(tǒng)，他在智能手機(jī)上打字和進(jìn)行語句表達(dá)的速度與同齡人相似。

Shenoy團(tuán)隊的Willett說，這種“Brain-to-Text（大腦至文本）” 的腦機(jī)接口之所以如此快，是因?yàn)槊總€字母都會引發(fā)高度不同的活動模式，從而使算法相對容易地將一個字母與另一個字母區(qū)分開。

而植入進(jìn)患者腦中的兩個微型傳感器也正是來自美國科技公司BrainGate的電極陣列，每個都含有96個電極。就在今年4月，BrainGate研究人員成功地創(chuàng)造了一個無線腦機(jī)接口（BCI），用戶腦袋上夾兩個無線發(fā)射機(jī)，就能隔空在屏幕上打字、瀏覽網(wǎng)站。不過，該研究追蹤試驗(yàn)者意念移動光標(biāo)進(jìn)行打字，每分鐘僅能輸入13.4個正確字符。

三、新系統(tǒng)將增加意念導(dǎo)航等功能

除了腦機(jī)接口輸入文本的功能模式，Shenoy的團(tuán)隊還想建立一個更全面的系統(tǒng)。

該系統(tǒng)包括點(diǎn)擊導(dǎo)航，類似于當(dāng)前智能手機(jī)上使用的導(dǎo)航，甚至嘗試通過意念說話進(jìn)行導(dǎo)航搜索。他說：“擁有這兩種或三種模式，并在它們之間切換，在我們認(rèn)為是自然而然的發(fā)展方向?！?/p>

Shenoy稱，接下來團(tuán)隊還打算與語言障礙患者合作，例如患有肌萎縮性側(cè)索硬化癥的人，這是一種退化性神經(jīng)系統(tǒng)疾病，會導(dǎo)致行動和言語喪失。

Henderson補(bǔ)充說，新系統(tǒng)可能會幫助那些因多種疾病而癱瘓的人。其中就包括近年來越來越常見的腦中風(fēng)，這一疾病就使《潛水鐘與蝴蝶（The Diving Bell and the Butterfly）》一書的作者Jean-Dominique Bauby感到痛苦。

“他能夠通過一次眼神的動作，一次又一次地精心挑選人物來寫這本動人而每秒的作品?！盚enderson說。當(dāng)然，這一技術(shù)造福的將不僅僅是研發(fā)人員喜歡的作者，而將是千千萬萬喪失行動和語言能力的殘疾人。

結(jié)語：腦機(jī)接口技術(shù)再上新階梯

腦機(jī)接口技術(shù)能實(shí)現(xiàn)意念操控已不是什么新鮮事，但本次我們看到，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以讓癱瘓者想象自己書寫，從而將意念轉(zhuǎn)化為真實(shí)的文本，90字符/分的速度也令人興奮，這是使用頭部或眼睛跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行輸入記錄的兩倍多！

隨著這一技術(shù)的研發(fā)落地，將為癱瘓患者帶來巨大便利，不僅能實(shí)現(xiàn)和常人一樣速度的書寫表達(dá)，未來也將實(shí)現(xiàn)意念講話操控等實(shí)現(xiàn)更高效交流。

來源：Nature、HHMI