或許，這項(xiàng)新進(jìn)展可以被描述為“意念書寫”。

坐在電腦前，無需任何肢體動(dòng)作，動(dòng)一動(dòng)“意念”，你就可以將大腦中想寫的字符呈現(xiàn)在屏幕上。其“寫字”速度甚至可與身體健全的同齡人在智能手機(jī)上發(fā)短信的速度相媲美。

在5月13日以封面形式發(fā)表于《自然》的一項(xiàng)報(bào)告中，美國(guó)斯坦福大學(xué)的研究者通過腦機(jī)接口(BCI)，可讓參試者每分鐘動(dòng)用“意念”寫出90個(gè)字符，是之前采用類似腦機(jī)接口打字記錄的兩倍多，且書寫準(zhǔn)確率超99%。

“隨著進(jìn)一步的發(fā)展，這項(xiàng)創(chuàng)新成果可以讓癱瘓者無需用手就能快速打字。”該論文資深作者、斯坦福大學(xué)霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員Krishna Shenoy在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說。

“思想驅(qū)動(dòng)”的交流

“我的肉體沉重如潛水鐘，但內(nèi)心渴望像蝴蝶般自由飛翔……”1995年12月8日，一場(chǎng)突如其來的災(zāi)難襲擊了法國(guó)雜志編輯吉恩·多米尼克·鮑比——腦干突然中風(fēng)，繼而引發(fā)極其罕見的閉鎖癥候群。憑借頑強(qiáng)的意志和僅能活動(dòng)的左眼，鮑比給后世留下了《潛水鐘與蝴蝶》一書。

目前，鮑比使用的眼球追蹤鍵盤技術(shù)可以讓癱瘓者每分鐘輸入47.5個(gè)字符，遠(yuǎn)低于身體健全者的每分鐘115個(gè)字符。且這種技術(shù)并不適用于那些眼部運(yùn)動(dòng)受損的人，很多患者只能“與世隔絕”。

而Shenoy與合作者的最新研究成果無疑為他們打開了一扇與外界溝通的窗。

“當(dāng)受傷或疾病奪去一個(gè)人的行動(dòng)能力之后，其大腦對(duì)一些行為(如寫字、行走、說話等)的神經(jīng)活動(dòng)仍然存在。我們希望利用相關(guān)神經(jīng)活動(dòng)幫助癱瘓或截肢的人恢復(fù)一些失去的能力。”Shenoy說。這推動(dòng)他和該研究共同通訊作者、斯坦福大學(xué)神經(jīng)外科醫(yī)生Jaimie Henderson自2005年起開始BCI方面的合作。

在2017年發(fā)表于eLife的一項(xiàng)研究中，他們?cè)?名肢體癱瘓者的大腦運(yùn)動(dòng)皮層植入了BCI芯片。每個(gè)芯片約阿司匹林藥片大小，上面有100個(gè)電極，用于接收大腦運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元發(fā)出的信號(hào)，這些信號(hào)可以控制手的動(dòng)作。參試者被要求集中精力，嘗試用與手臂運(yùn)動(dòng)相關(guān)的“意念”，用光標(biāo)指向字符并點(diǎn)擊。其中，代號(hào)為T5的參試者(2007年因脊髓損傷幾乎喪失了頸部以下的所有活動(dòng)能力)創(chuàng)造了最高紀(jì)錄：每分鐘可點(diǎn)擊40個(gè)字符。

這種方式為重度癱瘓與失明者找到了打開“心窗”的鑰匙。不過，Shenoy與合作者的想法是：“讓意念書寫的速度再快些!”

通過進(jìn)一步研究，他們發(fā)現(xiàn)，與以穩(wěn)定速度直線移動(dòng)光標(biāo)等簡(jiǎn)單的預(yù)期運(yùn)動(dòng)相比，涉及改變速度和曲線軌跡的復(fù)雜預(yù)期運(yùn)動(dòng)可以通過AI算法進(jìn)行更簡(jiǎn)單、迅速的解譯。這讓他們把研究思路從指向和點(diǎn)擊字符轉(zhuǎn)變?yōu)闀鴮懽址?/p>

“字符表中的每個(gè)字符都不相同，所以很容易區(qū)分。”第一作者兼通訊作者、Shenoy團(tuán)隊(duì)的神經(jīng)科學(xué)研究者Frank Willett向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》解釋說，通過AI算法對(duì)BCI芯片上的神經(jīng)信號(hào)信息進(jìn)行解碼，就可以推測(cè)T5想做的手部運(yùn)動(dòng)，并將參試者的書寫“意念”快速轉(zhuǎn)換為電腦屏幕上的文本。

很快，新思路讓這種“思想驅(qū)動(dòng)”的交流速度翻倍。

媲美普通人手機(jī)打字速度

“如果說2017年的研究模式類似于‘打字’，那么這項(xiàng)新研究的模式則類似于‘手寫’。”Willett解釋說。

T5是這項(xiàng)研究的唯一參試者。盡管手臂不能動(dòng)，但他還是集中精力，試圖用一支假想的筆在一張假想的格子紙上寫出字符表中的單個(gè)字符。他把每個(gè)字符重復(fù)10次，讓軟件“學(xué)習(xí)”識(shí)別與他想寫的那個(gè)特定字符相關(guān)的神經(jīng)信號(hào)。

隨后，研究者給T5展示了幾組句子，并要求他在心中努力“書寫”每個(gè)句子，但不使用大寫字符。如“我被打斷了，無法保持沉默”“三十秒內(nèi)軍隊(duì)就登陸了”。最后，無論T5想寫什么，AI算法大約僅延遲半秒就能把他的想法“寫”在電腦屏幕上。接下來，T5被要求抄寫算法從未接觸過的句子。最終，他能夠每分鐘生成90個(gè)字符，大約18個(gè)單詞。相比之下，身體健全的人在智能手機(jī)上的打字速度為每分鐘23個(gè)單詞。

“這種方法讓癱瘓者輸出句子的速度幾乎可以與健全同齡成年人用智能手機(jī)打字的速度相媲美。”Henderson說，“我們的目標(biāo)是讓他們恢復(fù)用短信交流的能力。”

據(jù)介紹，T5的抄寫錯(cuò)誤率約為每18至19個(gè)字符中存在一處錯(cuò)誤，自由寫作的錯(cuò)誤率約為每11或12個(gè)字符中一處錯(cuò)誤。不過，當(dāng)研究人員使用類似于智能手機(jī)鍵盤的自動(dòng)更正功能加以糾正后，錯(cuò)誤率明顯降低：抄寫的錯(cuò)誤率低于1%，自由書寫的錯(cuò)誤率略高于2%。

“與其他BCI相比，錯(cuò)誤率已經(jīng)相當(dāng)?shù)汀?rdquo;Shenoy說。據(jù)介紹，受法律限制，目前這項(xiàng)研究中使用的BCI僅用于調(diào)查性研究，尚未批準(zhǔn)用于商業(yè)用途。

未參與這項(xiàng)研究的加州大學(xué)伯克利分校的神經(jīng)工程師Jose Carmena在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)評(píng)價(jià)稱，這項(xiàng)技術(shù)以及其他類似技術(shù)可能有助于殘障人士。雖然這些發(fā)現(xiàn)只是初步的，卻是該領(lǐng)域的一大進(jìn)步。“腦機(jī)接口可將思維轉(zhuǎn)化為行動(dòng)。”Carmena說，“這篇論文就是一個(gè)很好的例子。BCI破譯了書寫的思想，并付諸行動(dòng)。”

為殘障人士帶來無限可能

由于在醫(yī)療康復(fù)、養(yǎng)老助殘、航空航天和軍事等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，當(dāng)前，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究也在如火如荼地開展。

例如，華南理工大學(xué)腦機(jī)交互實(shí)驗(yàn)室通過采集分析實(shí)驗(yàn)者的腦電波，實(shí)現(xiàn)了“腦控輸入法”;香港中文大學(xué)通過BCI系統(tǒng)將腦電波轉(zhuǎn)換成繁體中文字，讓全身癱瘓無法說話的人有機(jī)會(huì)“打開心窗”。此外，天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)早在2016年就與中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心合作，成功開展人類首次太空腦—機(jī)交互實(shí)驗(yàn)，通過獲取航天員在太空飛行中腦—機(jī)交互生理特征的變化模型，初步探索意念控制在航天任務(wù)中的可行性。

不過，在同期發(fā)表于《自然》的一篇觀點(diǎn)新聞中，華盛頓大學(xué)生物工程系的Pavithra Rajeswaran和Amy Orsborn表示，如何讓腦機(jī)接口在其生命周期中保持性能仍需要進(jìn)一步研究。“需要擁有極佳的效果和使用益處，才能證明在患者腦部植入電極所產(chǎn)生的費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)是值得的。”

展望未來，Shenoy團(tuán)隊(duì)希望將手寫文本輸入的方法整合到一個(gè)更全面的系統(tǒng)。該系統(tǒng)還包括目前智能手機(jī)上使用的指向和點(diǎn)擊導(dǎo)航，甚至嘗試性的語音解碼。“擁有這2~3種模式并在它們之間切換，是人天生就可以做到的。”

“雖然我們每分鐘可以寫接近20個(gè)單詞，但語速往往在125個(gè)單詞左右，所以語音將是彌補(bǔ)手寫不足的另一個(gè)令人興奮的方向。”Shenoy說，“如果將這些系統(tǒng)結(jié)合起來，可以為患者提供更多有效溝通的選擇。”

Shenoy說，接下來，研究小組打算與聾啞人、患有肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥(這種退行性神經(jīng)疾病會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)和語言能力喪失)的參與者合作。Henderson也補(bǔ)充說，新系統(tǒng)有可能幫助那些因多種情況癱瘓的人，如因脊髓損傷失去上肢或語言能力的人。

“鮑比費(fèi)了極大的力氣，通過眼球運(yùn)動(dòng)一次選擇一個(gè)字符才寫出《潛水鐘與蝴蝶》這本動(dòng)人的書。”Henderson說，“想象一下，如果有現(xiàn)在這樣的界面，他能做些什么。”(記者 馮麗妃 張思瑋)