@ 2017.10.16 , 17:30

科学家读懂鸟类大脑,成功预测鸟儿唱的下一首歌

4月份,Elon Musk语焉不详地提及建立了一家名为Neuralink的新型脑界面公司。数天后,Facebook首席执行官马克·扎克伯格(Mark Zuckerberg)发布声明, “直接的大脑接口正在研发,最终将让您直接通过思想与人交流。”FB表示,它有60名工程师正在努力实现这一目标。

这是一个雄心勃勃的计划——没有理由认为会一蹴而就。但是至少对于一只小小的、橙黄色的鸟、斑马雀,梦想已经无限接近现实。

科学家读懂鸟类大脑,成功预测鸟儿唱的下一首歌
credit:123RF

这得归功于Timothy Gentner及其加州大学圣地亚哥分校的学生的精湛的工作,他们建立了一个脑波到声音的图形界面。从中可以看出,嘴里发出声音之前,大脑会发生哪些神经活动。

科学家们在bioRxiv网站发表的一份新报告中称:“我们直接从神经活动中解码,在数据层面逼真地重现了鸟类的神经活动。该组织包括阿根廷鸟类专家Ezequiel Arneodo,将该系统称为实现“复杂神经活动——自然通信信号的解码器”的第一个原型。类似的方法可能推动人类思维到文本界面的开发,研究人员说。

哪怕是会唱歌的鸟儿的大脑也不算太大。但是,它的发声模式与人类言语相似,使得这些鸟成为研究记忆和认知的科学家的最爱。他们的歌曲很复杂,而且像人类语言一样,鸟类可以互相学习。我们的斑马雀从一只老鸟身上学到了新歌。

美国国立卫生研究院的研究员Makoto Fukushima表示,通过使用大脑界面研究猴子更简单的咕噜声和呼叫声,鸟的鸣叫生无疑更为丰富,这就是为什么这次成果对人类言语的应用有重要的意义。

目前在人体中试验的人脑界面主要是跟踪反映人们在心里想像手臂运动时候的神经信号,可以将其用来移动机器手臂或指引光标,以缓慢地点选出字母,组成单词。所以戴上头盔或通过脑部植入物就可以毫不费力地把想说的话凭空变出来的设想还远远未有实现。

但是,新研究显示,这并不是绝对不可能的。 UCSD的团队在清醒的鸟类中使用硅电极来测量被称为感觉运动核的部分大脑的神经元的电颤动,其中“学习新歌的冲动”便起源于此部位。

实验采用神经网络软件:机器学习发展方向的分支之一。研究人员将神经激发的模式和实际的歌曲编入程序,记录其停止和启动以及频率的变化。这个想法是训练他们的软件在他们所谓的“神经到歌曲频谱映射”中,建立一一匹配的对应关系。

该团队的主要创新是通过整合一个物理模型来简化大脑到啾啾鸟鸣的神经信号的翻译,这些模型如何使雀斑产生噪音。鸟类和人不一样,他们没有声带;替代的,他们喉咙内长有一个类似于簧片的东西,每次要发出声音时,肺部呼出气体,快速从两侧通过簧片,借助簧片的震动发出高亢鸣叫。这个器官术语称为鸣管。如果对此缺少直观形象,可以想一下人类用一片叶子抿在唇间吹口哨时的情况。

在他们的报告中,团队说大约可以提前30毫秒预测出鸟儿的下一个音。

您可以在下面的音频中收听结果。请记住,斑马雀不是夜莺。它的歌曲更像是雪花噪声。

斑马雀自然鸣叫声

下面是从鸟类脑波读取合成而成的模拟声音

鸣鸟已经是一个重要的研究类型。在Elon Musk的Neuralink,鸟类科学家是第一梯队的核心成员。而UCSD的重点是检测语音发生背后的肌肉运动的模式,这可能另是一个重要的发展方向。

Facebook表示,希望人们能够以每分钟100字的速度从他们的大脑中直接输入、发送文本。即便你只是在心里说话,大脑仍然会发出一组名令,你的脸颊和喉部的肌肉电学活动如同你正常发声说话时一样。唯一的区别在于,最后一步的命令——开口发声——没有被执行。所以一台能读取发出给肌肉的命令的设备,可能比那些直接读心的设想更为现实。

Gentner和他的团队希望他们的斑马雀将有助于使这个目标早日实现。他们写道:“我们已经通过动物模型为人类语言模式提供了一个可以传递复杂通信信号的脑机接口。”他们补充说:“我们的方法也为医用发声假肢设备提供了有价值的发展方向。”

总而言之,我们离大脑直接给彼此发短信的未来又进了一步。

本文译自 technologyreview,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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