医学奇迹！新型脑机接口让渐冻症患者“思想”成声，准确度达97%！

摘要

近日，美国加州大学戴维斯分校健康中心（UC Davis Health）开发的新型脑机接口（BCI）成功让语言功能严重受损的渐冻症（ALS）患者再次“说话”。

据介绍，新型脑机接口可将用户的大脑信号转化为语音，准确度高达97%，是目前同类系统中蕞准确的。

研究人员在一名因渐冻症导致语言功能严重受损的男子大脑中植入了传感器，之后在系统激活后的几分钟内，设备可以准确地用语音传达他脑中所想。相关研究发表在权威期刊《新英格兰医学杂志》上。

渐冻症，即肌萎缩侧索硬化症（ALS），这种疾病会影响患者控制自身运动的神经细胞，导致患者逐渐丧失站立、行走和用手的能力。它还可能导致患者失去对负责说话的肌肉控制，从而导致无法精准发出能被他人理解的言语（构音障碍）。

这项正在开发中的新技术，旨在为因瘫痪或渐冻症等神经系统疾病而无法说话的人恢复交流能力。

当患者试图说话时，系统可以解读他的大脑信号，并将信号转化为让计算机大声“说出口”的文本。

“新型脑机接口技术可帮助瘫痪的患者与朋友、家人和护理人员交流，”加州大学戴维斯分校神经外科医生大卫布兰德曼说。“我们的论文展示了目前蕞准确的言语神经假体（设备）。”

布兰德曼是这项研究的联合首席研究员和共同资深作者。他是加州大学戴维斯分校神经外科系的助理教授，也是加州大学戴维斯分校神经假体实验室的联合主任。

上文中提到的系统或者说神经假体，都属于前沿的“脑机接口”设备。

这种新型的脑机接口（BCI）系统，会在用户试图说话时，将他们的大脑活动转换为计算机屏幕上的文本，然后计算机可以大声朗读文本。

研究团队招募了45岁患有渐冻症的凯西·哈雷尔（Casey Harrell）参与这项名为BrainGate的临床试验。哈雷尔入组时，胳膊和双腿都很无力（四肢轻瘫），讲话难以被他人理解，需要其他人帮助翻译。

2023年7月，该研究的联合首席研究员布兰德曼为参与试验者植入了研究性的BCI设备，将4个微电级阵列放入到负责协调语言的大脑区域。这些阵列被设计用来记录大脑活动。

“我们检测到参与者的大脑试图移动自己的肌肉以发声说话。”神经科学家谢尔盖解释说。他是加州大学戴维斯分校神经假体实验室的联合主任，同时也是该研究的联合首席研究员。

“我们记录和倾听试验者大脑试图发送的那些指令，并将大脑活动翻译成一个一个音素（比如音节或语音单位），然后构成他们想说出口的话。”

近年来，尽管BCI技术有了不小的发展，但进展仍然缓慢，且很容易出错。这是因为负责解构和翻译大脑信号的AI（人工智能）机器学习程序，需要大量的时间和数据来执行。

布兰德曼介绍，既往的语音BCI经常拼写错误单词，这让用户想表达的意思很难被理解，形成了沟通障碍。

“我们的目标是开发出一个能让用户思想更容易被理解的系统。”布兰德曼说。

哈雷尔在训练和自然环境下的对话，都使用了新的BCI系统。这两种情况下，语音解码工作都是实时进行的，AI也在不断学习、更新。

除了精准的解码，新系统更令人惊讶的是，计算机大声朗读的声音，听起来像是哈雷尔在罹患渐冻症之前的声音。原来，语音是使用经过训练的AI软件编写的，该软件用的素材正是哈雷尔患病前的音频样本。

在头一次语音数据训练课程中，系统花费了30分钟，对哈雷尔所想表达的50个单词实现了99.6%的精准翻译率。

“我们头一次尝试系统时，哈雷尔高兴的哭了，因为他想说的话准确地出现在屏幕上。我们都做到了。”谢尔盖说。

在第二次训练课程中，潜在的转化词汇量增加到了125000个单词。仅仅通过额外1.4小时的数据训练，系统就实现了90.2%的翻译准确率。经过一段时间的数据收集和学习后，系统的准确率保持在了97.5%，这比许多智能手机应用程序都更好一些。

总的来说，这项研究报告了32周内84次数据收集课程的信息，哈雷尔在超过248小时的自定义对话中使用了BCI语音系统。

“无法沟通时如此令人沮丧，就仿佛你被困在囚笼之中一样，”哈雷尔说。“这项新技术可以帮助我们这样的人重返社会以及生活之中。”