準(zhǔn)確率高達(dá) 75%！腦機(jī)接口再獲歷史性突破，癱瘓患者以前所未有的速度交流

8 月 23 日，刊登在國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》上的兩篇文章指出，科學(xué)家利用人工智能（AI）技術(shù)，讓兩名癱瘓患者能夠以前所未有的準(zhǔn)確性和速度進(jìn)行交流。

在兩項(xiàng)獨(dú)立的研究中，研究人員描述了腦機(jī)接口（BCI）在患者身上的應(yīng)用，該接口可以將神經(jīng)信號(hào)翻譯成文本或單詞。兩組研究中腦機(jī)接口設(shè)備解碼語(yǔ)音的速度分別為每分鐘 62 個(gè)單詞和 78 個(gè)單詞，且錯(cuò)誤率分別降至 23.8% 和 25.5%。要知道，正常人類的自然對(duì)話速度約為每分鐘 160 個(gè)單詞，因此，這兩項(xiàng)最新的研究表明，腦機(jī)接口已經(jīng)取得重大突破。

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盡管取得了一定進(jìn)步，但從第一例臨床到產(chǎn)品上市到大規(guī)模臨床應(yīng)用，仍需較長(zhǎng)時(shí)間驗(yàn)證，但萬(wàn)里征途已踏出關(guān)鍵一步。

《自然》的文章也指出，這些腦接機(jī)口設(shè)備必須在更多的患者身上進(jìn)行測(cè)試，以證明其可靠性。

錯(cuò)誤率顯著降低：每 4 個(gè)單詞就有 3 個(gè)被正確破譯

其中一篇論文的合著者、加州斯坦福大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家 Francis Willett 在 8 月 22 日的新聞發(fā)布會(huì)上表示，" 現(xiàn)在可以想象這樣的未來(lái)：我們可以讓癱瘓患者恢復(fù)流暢的對(duì)話，讓他們能夠自由地‘說(shuō)出’他們想要表達(dá)的東西，而且準(zhǔn)確度高到足以被理解。"

論文指出，Willett 和他的同事們開(kāi)發(fā)的這種腦機(jī)接口設(shè)備，可以在細(xì)胞水平上翻譯神經(jīng)活動(dòng)，并將其轉(zhuǎn)換為文本。

荷蘭馬斯特里赫特大學(xué)的計(jì)算神經(jīng)科學(xué)家 Christian Herff 表示，這些腦機(jī)接口設(shè)備 " 可能在不久的將來(lái)成為（商業(yè)）產(chǎn)品。"

其中一位研究對(duì)象是 67 歲的 Pat Bennett，她患有運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病（也被成為肌萎縮性側(cè)索硬化癥），這種疾病會(huì)導(dǎo)致患者肌肉逐漸失去控制，導(dǎo)致其行動(dòng)和語(yǔ)言表達(dá)障礙。

在研究中，研究人員對(duì) Bennett 進(jìn)行了手術(shù)，將一組小硅電極插入其大腦中與語(yǔ)言表達(dá)有關(guān)的部位。隨后，科學(xué)家們對(duì)深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行了訓(xùn)練，以便在 Bennett 嘗試使用包含 125000 個(gè)單詞的大型詞匯集和包含 50 個(gè)單詞的小型詞匯集說(shuō)出各種短語(yǔ)時(shí)，識(shí)別出她大腦中的獨(dú)特信號(hào)。在這個(gè)過(guò)程中，AI 從音素（phonemes，構(gòu)成口語(yǔ)的單位）中解碼單詞。

研究結(jié)果表明，對(duì)于 50 個(gè)單詞的詞匯表，該腦機(jī)接口設(shè)備的工作速度比同一團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的早期設(shè)備快 3.4 倍，且錯(cuò)誤率被降低到 9.1%。在 12.5 萬(wàn)個(gè)單詞的詞匯量中，該腦機(jī)接口的錯(cuò)誤率上升到 23.8%。對(duì)此，Willett 表示，" 大約每四個(gè)單詞中就有三個(gè)被正確破譯。"

在另一項(xiàng)研究中，加州大學(xué)舊金山分校的神經(jīng)外科醫(yī)生 Edward Chang 和他的同事們治療了一位名為 Ann 的 47 歲女性，后者在 18 年前腦干中風(fēng)后失去了說(shuō)話的能力。

與 Willett 團(tuán)隊(duì)的方法不同，Chang 的團(tuán)隊(duì)在患者大腦皮層表面放置了一個(gè)跟紙一樣薄的矩形結(jié)構(gòu)，其中包含 253 個(gè)電極。這項(xiàng)技術(shù)被稱為皮質(zhì)電圖（ECoG），被認(rèn)為對(duì)患者的傷害較小，且可以同時(shí)記錄數(shù)千個(gè)神經(jīng)元的綜合活動(dòng)。

在 Ann 嘗試用 1024 個(gè)單詞說(shuō)出 249 個(gè)句子的過(guò)程中，研究小組對(duì) AI 算法進(jìn)行了訓(xùn)練，以識(shí)別 Ann 的大腦活動(dòng)模式。最終，該腦機(jī)接口設(shè)備的結(jié)果是每分鐘產(chǎn)出 78 個(gè)單詞，錯(cuò)誤率的中位數(shù)為 25.5%。

此外，Chang 和他的團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)建了定制算法，將 Ann 的大腦信號(hào)轉(zhuǎn)換為合成聲音和模仿面部表情的動(dòng)畫(huà)。科學(xué)家們根據(jù) Ann 的婚禮錄像進(jìn)行訓(xùn)練，讓她的聲音聽(tīng)起來(lái)就像她本人。

Ann 在研究結(jié)束后的反饋會(huì)議上也告訴研究人員：" 聽(tīng)到與自己相似的聲音，讓我非常激動(dòng)。"

全球每年新增約 480 萬(wàn)中度功能障礙患者，腦機(jī)接口醫(yī)療需求廣泛

盡管取得重大進(jìn)展，但在腦機(jī)接口可以用于臨床前，還需要進(jìn)行許多的改進(jìn)。

Ann 對(duì)研究人員稱，最理想的情況是腦機(jī)接口與患者的無(wú)線鏈接。法國(guó)格勒諾布爾神經(jīng)科學(xué)研究所的神經(jīng)技術(shù)研究員 Blaise Yvert 也補(bǔ)充稱，一個(gè)適合日常使用的腦機(jī)接口必須是一個(gè)完全可植入的系統(tǒng)，沒(méi)有可見(jiàn)的連接器或線纜。

上述兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)也都希望通過(guò)更強(qiáng)大的解碼算法繼續(xù)提高其設(shè)備的速度和準(zhǔn)確性。Willett 指出，" 我們認(rèn)為這是對(duì)腦機(jī)接口概念的驗(yàn)證，只是為這個(gè)領(lǐng)域的專家提供進(jìn)一步研究的動(dòng)力，將其轉(zhuǎn)換為人們可以實(shí)際使用的產(chǎn)品。"

文章還指出，這些腦接機(jī)口設(shè)備必須在更多的患者身上進(jìn)行測(cè)試，以證明其可靠性。加拿大溫哥華英屬哥倫比亞大學(xué)神經(jīng)倫理學(xué)研究員 Judy Illes 表示，" 無(wú)論這些研究數(shù)據(jù)多么好看，在技術(shù)上多么復(fù)雜，我們都必須以一種非常謹(jǐn)慎的方式去看待。我們必須謹(jǐn)慎對(duì)待對(duì)大量人群的廣泛推廣，我不確定我們是否已經(jīng)到了那個(gè)地步。"

《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者注意到，就在今年 5 月 25 日，美國(guó)腦機(jī)接口公司 Neuralink 宣布獲得美國(guó)食藥監(jiān)局（FDA）的臨床許可。Neuralink 采用的是侵入式方案，通過(guò)神經(jīng)手術(shù)機(jī)器人，將柔性電極植入至大腦皮層中，植入后不可移除。此前，2022 年初，F(xiàn)DA 基于安全等因素拒絕了該公司的臨床申請(qǐng)，此次獲批，表明 Neuralink 在安全性等方面已經(jīng)獲得更多的證據(jù)。

除了 Neuralink 之外，Precision Neuroscience 等多家腦機(jī)接口公司也計(jì)劃在 2023-2024 年申請(qǐng)人體臨床。雖然從第一例臨床到產(chǎn)品上市到大規(guī)模臨床應(yīng)用，仍需較長(zhǎng)時(shí)間驗(yàn)證，但萬(wàn)里征途已踏出關(guān)鍵一步。

腦機(jī)接口是一種變革性的人機(jī)交互技術(shù)，其中既有不依賴外周神經(jīng)和肌肉系統(tǒng)即可從大腦直接向外部設(shè)備或機(jī)器輸出指令的腦機(jī)接口，也包括繞過(guò)外周神經(jīng)和肌肉系統(tǒng)從外部設(shè)備或機(jī)器直接向大腦輸入電、磁、聲和光等刺激或神經(jīng)反饋的腦機(jī)接口。隨著腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展，其不僅在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用，而且在非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如教育、金融、娛樂(lè)、智能家居等方面也具有應(yīng)用前景。

華鑫證券在研報(bào)中指出，目前藥物和手術(shù)等技術(shù)對(duì)于因卒中、肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）等引起的中樞神經(jīng)受損患者，缺少足夠的治療效果，患者長(zhǎng)期處于癱瘓等功能失常狀態(tài)，生活質(zhì)量差。腦機(jī)接口的技術(shù)突破了傳統(tǒng)機(jī)體組織修復(fù)的范圍，以人機(jī)方式實(shí)現(xiàn)了功能替代，具有革命性的意義，并且在一些個(gè)案上取得突破。2014 年巴西世界杯開(kāi)幕式上，一位高位截癱的青年借助機(jī)械輔助，利用腦機(jī)接口開(kāi)出第一腳球，向全世界展示了腦機(jī)接口最直觀的臨床價(jià)值——為運(yùn)動(dòng)障礙患者提供輔助工具。目前全球每年新增 1200 萬(wàn)卒中患者，其中約 40% 的人群存在中度功能障礙，未來(lái)腦機(jī)接口在醫(yī)療上應(yīng)用存在廣泛的需求。

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