第十一屆中國(guó)（上海）國(guó)際技術(shù)進(jìn)出口交易會(huì)上的一款人工智能多模態(tài)腦機(jī)接口系統(tǒng)。逸成攝（影像中國(guó)）
在瑞士洛桑，科學(xué)家在進(jìn)行腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)。EThamPhoto（影像中國(guó)）
腦機(jī)接口技術(shù)通過(guò)檢測(cè)和調(diào)控大腦活動(dòng)，在大腦與外部設(shè)備之間建立直接的信息通路，創(chuàng)造了前所未有的人機(jī)交互方式，也讓“意念對(duì)話”從科幻照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。近年來(lái)，隨著技術(shù)迭代發(fā)展，多國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域開展實(shí)驗(yàn)探索，特別是在語(yǔ)言腦機(jī)接口領(lǐng)域取得了一系列突破：從中風(fēng)癱瘓患者“腦波轉(zhuǎn)語(yǔ)音”的實(shí)時(shí)溝通，到腦控機(jī)械臂書寫漢字，再到幫助漸凍癥患者提高生活質(zhì)量……這一新型技術(shù)正在為語(yǔ)言障礙群體架起溝通世界的橋梁，也將為治療神經(jīng)系統(tǒng)等方面疾病提供新的思路和方案。
可實(shí)時(shí)將大腦活動(dòng)轉(zhuǎn)化為言語(yǔ)
大腦是一個(gè)強(qiáng)大而孤獨(dú)的器官，它被顱骨嚴(yán)密保護(hù)，負(fù)責(zé)處理感覺(jué)、情感、記憶、決策與運(yùn)動(dòng)等信息。外界信息進(jìn)入大腦，或大腦信息傳至外界，依賴于我們身體的生物信息接口（即感官和神經(jīng)系統(tǒng)）。現(xiàn)代科技的發(fā)展，使人類開始有能力檢測(cè)到大腦活動(dòng)信號(hào)，并從中解碼所含信息，進(jìn)而利用這些信息跳過(guò)肌肉系統(tǒng)，直接控制外部設(shè)備，相當(dāng)于在大腦和外部世界間建立了一個(gè)人工的信息接口，這就是腦機(jī)接口技術(shù)。
語(yǔ)言腦機(jī)接口作為腦機(jī)接口的一個(gè)具體應(yīng)用方向，它通過(guò)直接檢測(cè)大腦活動(dòng)，特別是從控制運(yùn)動(dòng)的腦區(qū)提取與說(shuō)話相關(guān)的信號(hào)，解碼其中包含的語(yǔ)句信息，進(jìn)而控制語(yǔ)音合成設(shè)備“說(shuō)出”患者想說(shuō)的話。理想情況下，它就像一個(gè)實(shí)時(shí)的同聲傳譯系統(tǒng)，不僅要準(zhǔn)確解讀人們的意圖和想法，還應(yīng)盡可能快速、保真地輸出自然語(yǔ)言。要實(shí)現(xiàn)這一功能，科學(xué)家們需要解決信號(hào)解碼、語(yǔ)音合成、輸出延遲等一系列技術(shù)問(wèn)題。
隨著神經(jīng)科學(xué)與工程技術(shù)的進(jìn)步，全球多項(xiàng)研究正從不同維度推進(jìn)語(yǔ)言腦機(jī)接口技術(shù)快速迭代，有望邁入“毫秒級(jí)解碼+自然對(duì)話”的醫(yī)療應(yīng)用新階段。今年3月，我國(guó)自主研發(fā)的“北腦一號(hào)”半侵入式系統(tǒng)完成第三例人體植入，其柔性高密度電極實(shí)現(xiàn)了128通道同步信號(hào)采集，使?jié)u凍癥失語(yǔ)患者成功恢復(fù)語(yǔ)言交流能力，同時(shí)降低了手術(shù)創(chuàng)傷風(fēng)險(xiǎn)。前不久，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校研究團(tuán)隊(duì)發(fā)布了一種新型語(yǔ)言腦機(jī)接口系統(tǒng)。該團(tuán)隊(duì)在一名45歲因漸凍癥而失語(yǔ)的男性患者腦部植入了256通道的微電極陣列，并運(yùn)用深度學(xué)習(xí)算法捕捉他大腦中的相關(guān)信號(hào)，從而解析出他想說(shuō)的話語(yǔ)。系統(tǒng)可以每10毫秒捕獲一次腦波信號(hào)特征，幾乎可以實(shí)時(shí)解碼失語(yǔ)患者試圖發(fā)出的聲音，并且能顯示語(yǔ)調(diào)變化，還能以3種音高哼唱出一串音符，整體表達(dá)更加自然流暢。
人工智能算法是技術(shù)突破的關(guān)鍵
集成并運(yùn)用先進(jìn)的人工智能模型，是腦機(jī)接口解碼大腦神經(jīng)信號(hào)、生成和輸出自然語(yǔ)言的關(guān)鍵。
近年來(lái)，全球各地的科研機(jī)構(gòu)在這一領(lǐng)域相繼發(fā)布最新進(jìn)展。荷蘭烏得勒支大學(xué)醫(yī)學(xué)中心與拉德堡德大學(xué)團(tuán)隊(duì)優(yōu)化深度學(xué)習(xí)模型，將感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層的神經(jīng)活動(dòng)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為可識(shí)別的語(yǔ)音。該模型可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)單詞92%—100%的分類準(zhǔn)確率，同時(shí)合成語(yǔ)音的語(yǔ)調(diào)和音色特征也得到高度保留。此次加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的深度學(xué)習(xí)模型中，還利用患者失語(yǔ)前的錄音素材來(lái)訓(xùn)練人工智能算法，使其能夠合成和輸出近乎患者原聲的語(yǔ)音。
漢語(yǔ)有418個(gè)音節(jié)和四聲調(diào)，相較于英語(yǔ)等語(yǔ)言，研發(fā)針對(duì)漢語(yǔ)特征的神經(jīng)編解碼機(jī)制和信息處理手段面臨更大的挑戰(zhàn)。我國(guó)復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院、上海科技大學(xué)、天津大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)開發(fā)了面向中文的語(yǔ)言腦機(jī)接口。這種多流神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，同時(shí)對(duì)聲調(diào)及音節(jié)進(jìn)行解碼，實(shí)現(xiàn)單被試聲調(diào)音節(jié)分類正確率最高達(dá)到76%，單字解碼分類正確率達(dá)到91%。
這些研究進(jìn)展為語(yǔ)言腦機(jī)接口走向?qū)嵱玫於藞?jiān)實(shí)基礎(chǔ)。未來(lái)更大的挑戰(zhàn)可能在于對(duì)意圖和語(yǔ)義的解碼。目前的研究，主要是解決從控制發(fā)聲的大腦皮層解碼語(yǔ)言運(yùn)動(dòng)指令的問(wèn)題，但有相當(dāng)一部分失語(yǔ)癥的患者，是因?yàn)榻M織語(yǔ)言的腦區(qū)而不是控制發(fā)聲的腦區(qū)受損，所以難以組織通順的句子。這需要直接從處理層級(jí)更高的大腦皮層記錄信號(hào)，用以解碼患者意圖，并結(jié)合大語(yǔ)言模型等人工智能技術(shù)生成相應(yīng)的語(yǔ)言表述。目前，對(duì)腦內(nèi)復(fù)雜意圖的解碼還處于研究的初期，期待未來(lái)的語(yǔ)言腦機(jī)接口能夠進(jìn)一步突破，實(shí)現(xiàn)真正的“所想即所得”。
有望為治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病帶來(lái)變革
在醫(yī)療領(lǐng)域，腦機(jī)接口技術(shù)不僅可以幫助失語(yǔ)癥患者恢復(fù)語(yǔ)言能力，還有望在神經(jīng)系統(tǒng)損傷或疾病治療方面引發(fā)更多變革。
比如，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院和洛桑大學(xué)醫(yī)院的研究人員此前開發(fā)了一種腦—脊髓接口，通過(guò)解碼大腦的運(yùn)動(dòng)控制指令并刺激參與行走的脊髓區(qū)域，讓癱瘓患者實(shí)現(xiàn)了行走。目前該系統(tǒng)在植入后保持了一年以上的穩(wěn)定運(yùn)行，患者可在家庭環(huán)境中獨(dú)立使用，且無(wú)需頻繁校準(zhǔn)。
近日，復(fù)旦大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院聯(lián)合團(tuán)隊(duì)開發(fā)出全球首款光譜覆蓋可見(jiàn)光和紅外線的視覺(jué)假體。該裝置植入眼底后，可在視網(wǎng)膜中替代感光細(xì)胞接收光信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，激活視網(wǎng)膜上的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，并將視覺(jué)信息傳送至大腦。這一技術(shù)讓失明的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物重新獲得了對(duì)可見(jiàn)光和紅外線的感知能力，未來(lái)有望在治療視網(wǎng)膜病變方面取得突破。
此外，腦機(jī)接口可以通過(guò)植入電極精準(zhǔn)地調(diào)控腦中特定靶點(diǎn)的活動(dòng)，也可以通過(guò)非侵入式的方法（比如經(jīng)顱的電刺激或磁刺激）來(lái)進(jìn)行調(diào)控。前者的成功例子包括利用深部腦刺激治療帕金森病，后者目前已經(jīng)有大量的研究在探索，用于治療從重度抑郁到阿爾茨海默病等多種腦疾病。
不過(guò)，腦機(jī)接口技術(shù)仍有不少亟待攻克的挑戰(zhàn)。植入式腦機(jī)接口需要進(jìn)一步驗(yàn)證在體內(nèi)長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性和安全性，進(jìn)一步降低電極植入的創(chuàng)傷，并提高對(duì)于神經(jīng)信號(hào)解碼的準(zhǔn)確性和運(yùn)行穩(wěn)定性。同時(shí)，腦科學(xué)研究需要揭示更多關(guān)于大腦信息處理過(guò)程和處理模式的知識(shí)，以便腦機(jī)接口可以更高效地與大腦進(jìn)行交互。
與此同時(shí)，由于腦機(jī)接口技術(shù)直接涉及對(duì)大腦活動(dòng)的檢測(cè)和干預(yù)，其未來(lái)發(fā)展必須高度關(guān)注倫理、隱私、數(shù)據(jù)安全等潛在風(fēng)險(xiǎn)。這些問(wèn)題已經(jīng)得到聯(lián)合國(guó)等國(guó)際組織以及我國(guó)相關(guān)主管部門的高度重視，腦機(jī)接口研究與應(yīng)用相關(guān)的倫理、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范正在逐步完善，以確保腦機(jī)接口技術(shù)和應(yīng)用能夠健康、可持續(xù)地發(fā)展，最終造福全人類。
（作者為中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研究員）
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