@ 2021.05.15 , 11:40

破译脑-执行信号:插入电极的瘫患者用意念每分钟打出90个字符

本周,科学家展示了一个相当令人印象深刻的例子,说明神经植入物的光辉前景。借助植入物,一位瘫痪的人仅通过想象用手打出字符,就成功地每分钟打出大约90个字。

以前的实验涉及通过植入物让瘫痪者用意念操纵光标。过程是有效的,但速度很慢,而且需要用户全神贯注,因为受试者必须时刻盯着光标的位置,还需要花时间来学习如何控制。

但是,还有其他可能的途径,可以让字符直接从思想转为可视的输出结果。在我们写作时,思维过程中的某个环节,我们形成了使用特定字符的意图,使用植入物来跟踪这一意图按道理应是可行的。不幸的是,现代科技还未完全摸透这一过程。

在输出意图的下游,“决定”被传送到运动皮层,在那里被转化为行动。同样,有一个意图阶段,运动皮层的“决定”将形成的字母,然后转化为执行该动作所需的特定肌肉运动。幸运的是,我们现在已经可以很好地理解这一过程,它们是研究小组新的方面。

具体来说,研究人员在瘫痪者的运动前皮层中放置了两个植入物。这个区域被认为是参与形成执行动作的意图。捕捉这些意图比捕捉动作本身更有可能产生清晰的信号,因为动作本身可能是复杂的(任何动作都涉及多块肌肉),并取决于背景(你的手相对于你正在书写的页面的位置,等等)。

研究人员要求参与者想象在一页纸上写字母,并记录他这样做时的神经活动。

在受试者的运动前皮层中,总共有大约200个电极。并非所有的电极都能为写信提供信息。但对于接收到信息的电极,作者进行了主成分分析,确定了在想象各种字母时,神经记录中差异最大的特征。将这些记录转换为二维图,很明显,在书写单个字符时看到的活动总是集中在一起。而物理上相似的字符——例如,p和b,或h、n和r——在彼此附近形成集群。

研究人员还要求被试者想象写出标点符号,如逗号和问号,并用>表示空格,用~表示句号)。

总的来说,研究人员发现他们可以破译呈现字符的意图,准确率略高于94%,但该系统在记录神经数据后需要进行相对缓慢的分析。为了让事情实时运作,研究人员训练了一部循环神经网络来估算每个字母对应信号的概率。

尽管数据量相对较小(只有242个句子的字符),但系统工作得非常好。思维和屏幕上出现的字符之间的滞后时间只有大约半秒,参与者每分钟能够输入大约90个字符,轻松超越了之前的植入式打字记录,即每分钟大约25个字符。原始错误率只有约5%,而应用自动更正系统可以将错误率降至只有1%。

研究人员自己承认,这 "还不是一个完整的、临床上可行的系统"。首先,目前仅在一个人身上实验过,所以我们不知道对其他人的效果如何。这里使用的简化字母表不包含任何数字、大写字母或大多数形式的标点符号。而且,植入物的行为会随着时间的推移而发生变化,也许是因为相对于它们所读取的神经元的轻微移动或瘢痕组织的堆积,所以该系统必须定期进行重新校准——至少每周一次,以保持可容忍的错误率。

但无可置疑的是,新技术的前景令人无比期待。

来源 自然,2021年。DOI: 10.1038/s41586-021-03506-2

https://arstechnica.com/science/2021/05/neural-implant-lets-paralyzed-person-type-by-imagining-writing/


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