“手写脑机接口”前景看好 科幻大片中的场景成为现实

首页 > 科技 > > 正文

日期:2021-06-08 15:17:23    来源:科技日报    

研究无边无际的“星河”,深刻探索“黑洞”的奥秘;出版《时间简史》、《果壳中的宇宙》……史蒂芬·威廉·霍金,科学界神一般存在的物理天才,20世纪享有国际盛誉的伟人之一。

有谁能想象到,就是这样一位全身瘫痪、不能言语、大半生困于轮椅中的肌肉萎缩性侧索硬化症(俗称“渐冻症”)病人,仅仅靠着唯一能动的双眼和3根手指与外界联系,艰难地描绘他的伟大的物理学梦境;后来在气管切开术与渐冻症的双重夹击下,使用“拼写板”靠目光拼出字母来进行学术交流。其后借助单个按键的鼠标操作电脑打字,打字后通过语音合成器读出文本。在许多科学家的帮助下,霍金也曾尝试过一段时间的“眼动追踪技术”和“脑电波识别术”,但都因不习惯以及疾病逐步恶化而放弃。如果在今天,在“手写脑机接口”技术的辅助下,相信霍金一定能靠着意念快速打字,顺畅地打开和宇宙对话的大门,再次书写他的人生传奇。

科幻大片中的场景成为现实

今年5月中旬,国际权威期刊《自然》的封面发表了一项重磅研究成果:来自斯坦福大学、布朗大学和哈佛医学院的知名科学家联合开发了全新的脑机接口技术,能够帮助瘫痪病人直接将脑海里的“想法”转换为电脑屏幕上的手写文字,由此使“打字”速度突飞猛进,每分钟高达90个字符,仅仅略低于研究对象同年龄层人群用手机的一般打字速度(每分钟115个字符)。这个结果听起来如此不可思议,貌似只会在科幻大片中才有的场景,今日终于初见端倪,有望让霍金一样瘫痪、失语的患者“恢复”快速精细的动作,重新找回联系外界的“路径”。

以上科研成果的发布,再次将“脑机接口”这一热词纳入公众视线,拉高了广大群众尤其是特殊人群对“人机对话”的无限憧憬和热切期待。近日,哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院生物体传感技术课题组曹天傲博士在接受记者采访时,对脑机接口技术进行了全方位科普解读。

曹天傲博士自本科以来一直追踪和研究生物医学工程领域关键技术,如生物信号处理、主动康复机器人、脑电信号与肌电信号融合、传感器信号处理等,目前已发表论文10篇。其中,SCI(科学文献索引)论文3篇,EI(工程索引)论文7篇;专利受理6项。科研方向为脉搏波、脑电和肌电等人体生物电信号处理及应用,在无线体域网中血氧和心率传感节点研究、基于脑电信号的突发性疼痛识别,以及肌电信号控制假肢等研究项目中均有建树。

脑机接口连通“信息孤岛”

人的大脑,无时无刻不进行着各种各样的复杂神经活动,其蕴含的信息也多种多样,例如麻醉、睡眠、疼痛、专注度、疲劳度、肢体运动信息,等等。而当人类出现外在反应时,其大脑活动已先一步发出指令。我们的大脑就是“司令部”,发出最原始的第一手信息。肢体则是下属各个“兵团”,负责执行大脑的命令,完成对应的任务。

曹天傲解读说,正常人在进行内心意图表达时,可通过语言文字、肢体动作和表情神态等多种“工具”来传达,周围的人很容易理解。但是瘫痪患者、失语病人以及其他各种各样表达有困难的群体,尽管他们的大脑思考速度与正常人无异,但在信息时代,使用智能设备、与周围人交流时,却十分困难,很难通过外在表现传递他们的思想活动及意图,因此带来诸多的不便与误解,犹如被流放到了“信息孤岛”上。

曹天傲通俗地解释说,脑机接口技术,即通过直接探究大脑运转时内部的神经细胞簇的活动,从源头上获知“司令部”发出的最原始的第一手信息,例如控制肢体以什么速度、什么方位、多大力量、运动多长时间;再如大脑中绘制什么样的图画,编辑什么文本信息……其原理是不同的思想活动对应不同的神经细胞簇的活动;具体来讲,就是在不同的思想活动中,各个神经细胞有不同的放电模式,存在对应关系。只要能识别出神经细胞的放电模式,就能判断出对应的思想活动轨迹,实现对被试者大脑活动的破译工作。

在此之前,脑机接口技术已经成功帮助瘫痪患者做简单的动作(比如伸手或操纵大型物体)。继马斯克公司在今年4月向公众展示猴子用意念玩游戏后,脑机接口研究便被瘫痪病人寄予了更大期望。打字方面,患者可以通过眼球转动追踪键盘,选择想要的字母,拼接成单词,以此类推,最终形成完整的句子。渐冻症病人也能靠眼神进行频道切换,以收看自己喜欢的电视节目。通过眼球每分钟能打出大约47.5个字符,比正常敲字的速度要慢许多,且可能对患者的身体造成一定程度的损害。之后发明了脑控鼠标光标,依次选择想要的字母,形成单词和句子,每分钟打出的字符不超过90个。而当前最新的专门用于打字的脑机接口技术更为灵活,使瘫痪病人的打字交流速度明显加快,且无需视觉提示,不占据用户的视觉注意力,对大脑损害小。

用大脑信号打字不再是梦

曹天傲认为,作为真正的世界前沿性成果,“手写脑机接口”技术从各个环节增强了“打字”的准确度和加速度。该技术首先选取了植入大脑的微型电机阵列,保障了脑电信号的采集质量及其丰富性。脑电信号是大脑中多个神经细胞活动的外在表现,且信号质量随着远离神经细胞簇而降低。针对“打字”这项艰巨的任务,非侵入式的表面头皮脑电信号无法满足要求。而微型电机阵列好比国际象棋的棋盘,在用户想象要写的字母时,植入大脑的电极可以捕捉和测量许多神经元的电活动,更加精确地落实大脑“司令部”的详细指令,以满足“打字”的要求。

曹天傲进一步解释:信号采集之后,通过有线传输的方式,使得信号中的有效成分得到尽可能多的保留,避免了无线传输中部分信息的耗损。将信号去除噪声后,需要解码其中包含的“打字”内容。研究人员用人工智能模型学习神经活动和真正写字时手指活动的映射关系,针对特定的手指活动对应特定的字符,从递归神经网络学习每个字母产生的神经活动模式,并分析这些活动模式在多个试验中的关系,利用降维手段生成聚类图。算法会用此信息预测当前试验中参与者所想象的字母,并将相关预测转换为印刷输出。然后再用一个语言模型(通过前几个字符预测下一个字符)对输出的初始结果进行校正,使最终屏幕上呈现的结果(文字)更加精准。

与此同时,美国斯坦福大学领衔的科研团队也做了大量的前期工作,例如筛选神经活动明显的被试者,从源头上提高采集信号的质量及可识别性。选定理想的被试者后,需要开展大量的训练,以培养受试者对26个字母的敏感性,形成特定记忆,相应地产生特异的可识别脑电信号。不过,很少有用户能够连续几个小时坚持思考自己要写的内容。鉴于长时间训练的疲劳与枯燥,研究人员尝试借助一种数据增强的方法,即先前由参与者生成的神经活动模式可用于生成人工语句,然后在人工语句基础上做训练。他们还通过在神经活动模式中引入人工可变性来扩展训练数据,以模仿人脑中自然发生的变化。这种可变性有助于神经网络的脑机接口技术更加稳定。

为便于广大读者更好地理解“手写脑机接口”技术,曹天傲还生动地比喻说:人体动作的传达,经历了大脑“司令部”到各个器官肢体“正规军”的层层指令。对于瘫痪病人来说,其大脑“司令部”虽然工作如常,但肢体功能已经受损,相当于“正规军”的战斗力被严重削弱,不能有效地完成“司令部”下达的作战命令。为了避免大脑“司令部”沦为“光杆司令”,脑机接口技术则“代为传达情报”,另辟蹊径获取信号传导通路中的信息,并交给配套设备等“预备役”,例如人机互动界面、外骨骼、假肢、康复机器人,等等,用来代替“正规军”并实现“正规军”本该完成的工作任务。(通讯员 衣晓峰 记者 李丽云)

下一篇:光束扫描技术更新迭代 光束扫描芯片发展迈向微型化集成化
上一篇:最后一页

科技