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心说也能被”听到”,科学家用大脑植入物来识别脑海中说出的话

据自然杂志,科学家们已经开发出可以解码内部言语的大脑植入物,可以识别两个人在不动嘴或出声的情况下在脑海中说出的话。

虽然这项技术还处于早期阶段——只适用于少数几个单词,而不是短语或句子——但将来可能会应用于临床。

类似的脑机接口(BCI)设备,能将大脑中的信号转化为文字,一些人来说速度已达到每分钟62-78个字,但这些技术涉及到一定程度的发音动作或模仿语言发音的行为。

5月13日发表在《自然-人类行为》上的最新研究,则是首次通过实时记录大脑中单个神经元的信号,对完全由内部发出的言语进行解码。

瑞士日内瓦大学的神经工程师西尔维娅·马尔切索蒂说:”这可能是迄今为止关于解码想象语音的最先进研究。”

研究的共同作者莎拉·万德尔特说:”这项技术对那些已经没有行动能力的人特别有用。例如,我们可以考虑像闭锁综合征(病人清醒并有意识,却无法显示面部表情、无法活动、无法言语或交流,而只有通过眼球活动来示意)这样的病症。”

研究人员在两名脊髓损伤患者的大脑中植入了微型电极阵列,将这些装置放置在缘上回(SMG,位于大脑顶叶,是顶下小叶的一部分),这是以前在语音解码BCI中从未探索过的大脑区域。

马尔切索蒂说,找出大脑中植入BCI的最佳位置,是内部语音解码的关键挑战之一。作者们决定测量SMG中神经元的活动,因为之前的研究表明,大脑的这一部分在发声下说话和决定单词是否押韵等任务中非常活跃。

在受试者左侧SMG植入微电极阵列两周后,研究人员开始收集数据。他们用六个单词(战场、牛仔、蟒蛇、勺子、游泳和电话)和两个无意义的假词(nifzig 和 bindip)训练 BCI。万德尔特道:”这里的重点是要看看意义是否是表征的必要条件。”

在三天时间里,研究小组要求每位参与者想象说出屏幕上显示的单词,每个单词重复这个过程八次。然后,BCI 将对参与者大脑活动的测量结果与计算机模型相结合,实时预测他们的内部言语。

对于第一位参与者,BCI捕捉到了所有单词的独特神经信号,并能以79%的准确率识别这些单词。但第二位参与者的解码准确率仅为23%,他对 “勺子 “和 “游泳 “表现出了偏好性表征,而且对每个单词独特活跃的神经元数量较少。

万德尔特说:”有可能是缘上回的不同子区域更多、或更少地参与了这一过程。

荷兰马斯特里赫特大学计算神经科学家克里斯蒂安·赫夫认为,这些结果可能凸显了人们处理内部语音的不同方式。马尔切索蒂说:”以前的研究表明,人们执行想象任务的能力不同,BCI控制能力也不同。”

作者还发现,在内部言语过程中处于活跃状态的神经元中,有82-85%在参与者发声时也处于活跃状态。但有些神经元只在内部言语时才活跃,或者对特定词语的反应不同。

尽管这项研究标志着内部言语解码取得了重大进展,但临床应用仍然任重道远,许多问题仍未得到解答。

赫夫说:”内部言语的问题在于,我们不知道发生了什么,也不知道是如何处理的。例如,研究人员还无法确定大脑是以语音(通过声音)还是以语义(通过意义)来表示内部语音。我认为我们需要的是更大的词汇量。”

马尔切索蒂还想知道,鉴于两名研究参与者能够说话,而且大脑语言区域完好无损,这项技术是否可以推广到失去说话能力的人身上。她说:”这是我认为未来可以解决的问题之一。”

研究小组的下一步将是测试 BCI 能否区分字母表中的字母。万德尔特说:”我们也许可以有一个内部音语拼写器,这样就能真正帮助患者拼写单词。”