挑战马斯克！Nature最新2篇论文：脑机接口新升级，让失语者言语自由

来源：深究科学

导读

今年5月底，埃隆·马斯克（Elon Musk）在社交平台上宣称：旗下脑机接口公司Neuralink已经获得了美国食品和药物管理局（FDA）的批准，即将展开全球首次临床试验。

然而仅仅不到三个月，脑机接口技术又迎来一次新升级，马斯克将会遇到更多的“劲敌”。

上周，《自然》杂志连发2项重要研究，研究结果显示，脑机接口技术正以令人瞠目结舌的速度和准确性，助力瘫痪的失语患者重拾正常的语言交流能力。

过去脑机接口虽然能够从瘫痪患者的大脑活动中解码出文字文本，但其速度、准确性和词汇量受到一定限制。最新的脑机接口技术厉害之处在于，能将患者的脑电信号转化为语言，从而使得瘫痪患者能够更加流畅地与外界进行交流。

周    晨 | 撰文

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脑机接口迎来新升级

对失语者来说，他们难以开口说话，仿佛被困于自身的躯体之中，与外界的交流变成了一种奢望。

随着研究技术的进步，脑机接口（BCI）技术给他们带来了全新希望：将脑电信号转化为控制指令，帮助运动障碍和失语者，提升他们的生活质量。

上周，发表于《自然》杂志的2项研究揭示了全新升级的脑机接口技术，能够以更高效、更迅速、更准确的方式将大脑神经活动转为语言，为严重瘫痪的失语者拓展了沟通的可能性。

研究者与患者的合影

来自美国麻省总医院的弗朗西斯·威利特（Francis Willett）及其团队开发了一款先进的脑机接口装置。这项脑机接口装置通过将微电极阵列植入大脑，能够巧妙地捕捉个体神经元的活动信号，而后运用人工神经网络解译患者试图发声的神经模式。

在实际应用中，这项技术展现出其惊人的潜力。研究团队选择了一名患有肌萎缩性侧索硬化症的患者作为实验对象。为了测评这项脑机接口技术，研究人员评估了5天尝试发声说话和3天尝试无声说话（“口型”说出没有发声的单词）语音到文本的表现。

脑机接口技术操作示意图

研究显示，该患者的交流速度达到每分钟62个词，几乎是此前类似技术的3.4倍，已接近日常自然对话的速度（约每分钟160个词）。

两种说话方式的错误率（发声vs沉默）和词汇量（50 vs 125000单词）

此外，该装置词汇量为50个时，发声错误率仅为9.1%（无声时为11.2%），远低于过去最先进脑机接口装置的2.7倍。在使用12500个词汇时，发声错误率为23.8%（无声时为24.7%），这为实现大词汇量解码的成功迈出了重要的一步。

另一项研究是来自加州大学旧金山分校华裔教授张复伦（Edward Chang）及其团队进行的。他们采用了一种独特的方法，通过电极覆盖大脑表面并侦测多个神经元的活动来实现对语音和肢体运动功能的恢复。

这项脑机接口装置具备将大脑信号同时转化为文字、语音和控制一个头像的能力。

研究团队通过训练深度学习模型，利用一名因脑干中风而严重瘫痪患者的神经数据，捕捉了患者试图无声表达句子的神经模式。在实验中，研究团队设计了三种不同的任务条件：文字、视觉、听觉和“NATO-motor task”。

文本任务用于评估文本解码器的效果；视听任务则用于评估语音合成和头像动画模型；而“NATO-motor task”则涵盖了26个语音目标（使用NATO音标中的代码单词）和4个手部非语音运动目标（包括左拇指、右拇指、右食指和中指的屈曲，以及左食指和中指的屈曲）。

实验结果显示，这一技术可以高效地实现语音解码和头像控制，为瘫痪患者的语音和肢体运动功能恢复提供了全新的途径。研究表明，这一系统将大脑信号转化为文字的速度中位数为每分钟78个词，错误率为25%。

单词（c）和字符

（d）偶然性和实时结果的错误率

研究者还发现，将信号转化为语音时，在372个词汇的情况下，错误率为28.2%，且随着词汇量的减少而降低。

此外，该装置还能够将神经活动转化为面部表情，以动画头像的形式展示，让瘫痪患者的交流变得更加自然且生动。

02

脑机接口的未来前景

近年来，脑机接口技术算得上是医疗行业的新风口。

马斯克十分关注脑机接口技术。今年5月底，马斯克在Twitter大张旗鼓宣告，旗下脑机接口公司Neuralink已获美国FDA批准，这意味着首次脑植入物人体临床研究即将拉开序幕。

不过，这项技术迎来风口的同时，也有不小的争议。其中最大的争议莫过于技术的风险性。传统侵入式脑机接口往往需要通过有创手术，在患者的大脑皮层内植入微小电极来实现，更有甚者需要移除部分头骨来植入芯片。而这种手术，往往会对脑区造成不可逆损伤。

2022年，Neuralink公司就申请过临床试验，但被FDA给否了，原因在于这家公司涉嫌“虐待动物”，动物在实验测试里的死亡率实在高得离谱。2022年3月，该公司脑机接口实验用的23只猴子已经死了15只。

目前，许多科学家在尝试使用介入式的方法来代替植入式，通过介入手术将介入脑电传感器贴附在脑血管壁上，无需开颅手术即可采集到颅内脑电信号。

在国内，南开大学就有过多次介入式脑机接口的实验。去年6月，南开大学人工智能学院段峰教授科研团队牵头在北京成功完成了国内首款介入式脑机接口动物试验，突破了介入式脑电电极、血管内脑电采集等核心技术，完成了支架、导管等神经介入器械产品研制。今年5月，段峰教授团队牵头全球首例非人灵长类动物介入式脑机接口试验。

无论如何，脑机接口技术的发展必然会给瘫痪患者带来了诸多福音，我们也期待这项技术能够以更安全的方式帮助到更多瘫痪患者。

参考资料

1.A high-performance neuroprosthesis for speech decoding and avatar control.Nature。

2.A high-performance speech neuroprosthesis.Nature。

3。国内首例！南开大学启动脑机接口动物试验，为何要选择羊？。南开大学。

4。全球首例，南开团队牵头完成介入式脑机接口非人灵长类动物试验。南开大学。