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准确率高达75%!脑机接口再获历史性突破 瘫痪患者以前所未有的速

Source:adminAuthor:admin Addtime:2023/08/26 Click:

  准确率高达75%!脑机接口再获历史性突破 瘫痪患者以前所未有的速度交流

  8月23日,刊登在国际顶级期刊《自然》上的两篇文章指出,科学家利用人工智能(AI)技术,让两名瘫痪患者能够以前所未有的准确性和速度进行交流。

  在两项独立的研究中,研究人员描述了脑机接口(BCI)在患者身上的应用,该接口可以将神经信号翻译成文本或单词。两组研究中脑机接口设备解码语音的速度分别为每分钟62个单词和78个单词,且错误率分别降至23.8%和25.5%。要知道,正常人类的自然对话速度约为每分钟160个单词,因此,这两项最新的研究表明,脑机接口已经取得重大突破。

  尽管取得了一定进步,但从第一例临床到产品上市到大规模临床应用,仍需较长时间验证,但万里征途已踏出关键一步。

  《自然》的文章也指出,这些脑接机口设备必须在更多的患者身上进行测试,以证明其可靠性。

  错误率显著降低:每4个单词就有3个被正确破译

  其中一篇论文的合著者、加州斯坦福大学的神经科学家Francis Willett在8月22日的新闻发布会上表示,“现在可以想象这样的未来:我们可以让瘫痪患者恢复流畅的对话,让他们能够自由地‘说出’他们想要表达的东西,而且准确度高到足以被理解。”

  论文指出,Willett和他的同事们开发的这种脑机接口设备,可以在细胞水平上翻译神经活动,并将其转换为文本。

  荷兰马斯特里赫特大学的计算神经科学家Christian Herff表示,这些脑机接口设备“可能在不久的将来成为(商业)产品。”

  其中一位研究对象是67岁的Pat Bennett,她患有运动神经元疾病(也被成为肌萎缩性侧索硬化症),这种疾病会导致患者肌肉逐渐失去控制,导致其行动和语言表达障碍。

  在研究中,研究人员对Bennett进行了手术,将一组小硅电极插入其大脑中与语言表达有关的部位。随后,科学家们对深度学习算法进行了训练,以便在Bennett尝试使用包含125000个单词的大型词汇集和包含50个单词的小型词汇集说出各种短语时,识别出她大脑中的独特信号。在这个过程中,AI从音素(phonemes,构成口语的单位)中解码单词。

  研究结果表明,对于50个单词的词汇表,该脑机接口设备的工作速度比同一团队开发的早期设备快3.4倍,且错误率被降低到9.1%。在12.5万个单词的词汇量中,该脑机接口的错误率上升到23.8%。对此,Willett表示,“大约每四个单词中就有三个被正确破译。”

  《自然》文章截图

  在另一项研究中,加州大学旧金山分校的神经外科医生Edward Chang和他的同事们治疗了一位名为Ann的47岁女性,后者在18年前脑干中风后失去了说话的能力。

  与Willett团队的方法不同,Chang的团队在患者大脑皮层表面放置了一个跟纸一样薄的矩形结构,其中包含253个电极。这项技术被称为皮质电图(ECoG),被认为对患者的伤害较小,且可以同时记录数千个神经元的综合活动。

  在Ann尝试用1024个单词说出249个句子的过程中,研究小组对AI算法进行了训练,以识别Ann的大脑活动模式。最终,该脑机接口设备的结果是每分钟产出78个单词,错误率的中位数为25.5%。

  Chang团队研究过程视频(图片来源:视频截图)

  此外,Chang和他的团队还创建了定制算法,将Ann的大脑信号转换为合成声音和模仿面部表情的动画。科学家们根据Ann的婚礼录像进行训练,让她的声音听起来就像她本人。

  Ann在研究结束后的反馈会议上也告诉研究人员:“听到与自己相似的声音,让我非常激动。”

  全球每年新增约480万中度功能障碍患者,脑机接口医疗需求广泛

  尽管取得重大进展,但在脑机接口可以用于临床前,还需要进行许多的改进。

  Ann对研究人员称,最理想的情况是脑机接口与患者的无线链接。法国格勒诺布尔神经科学研究所的神经技术研究员Blaise Yvert也补充称,一个适合日常使用的脑机接口必须是一个完全可植入的系统,没有可见的连接器或线缆。

  上述两个研究团队也都希望通过更强大的解码算法继续提高其设备的速度和准确性。Willett指出,“我们认为这是对脑机接口概念的验证,只是为这个领域的专家提供进一步研究的动力,将其转换为人们可以实际使用的产品。”

  文章还指出,这些脑接机口设备必须在更多的患者身上进行测试,以证明其可靠性。加拿大温哥华英属哥伦比亚大学神经伦理学研究员Judy Illes表示,“无论这些研究数据多么好看,在技术上多么复杂,我们都必须以一种非常谨慎的方式去看待。我们必须谨慎对待对大量人群的广泛推广,我不确定我们是否已经到了那个地步。”

  《每日经济新闻》记者注意到,就在今年5月25日,美国脑机接口公司Neuralink宣布获得美国食药监局(FDA)的临床许可。Neuralink 采用的是侵入式方案,通过神经手术机器人,将柔性电极植入至大脑皮层中,植入后不可移除。此前,2022年初,FDA基于安全等因素拒绝了该公司的临床申请,此次获批,表明Neuralink在安全性等方面已经获得更多的证据。

  除了Neuralink之外,Precision Neuroscience等多家脑机接口公司也计划在2023-2024年申请人体临床。虽然从第一例临床到产品上市到大规模临床应用,仍需较长时间验证,但万里征途已踏出关键一步。

  脑机接口是一种变革性的人机交互技术,其中既有不依赖外周神经和肌肉系统即可从大脑直接向外部设备或机器输出指令的脑机接口,也包括绕过外周神经和肌肉系统从外部设备或机器直接向大脑输入电、磁、声和光等刺激或神经反馈的脑机接口。随着脑机接口技术的发展,其不仅在医学领域具有潜在的应用,而且在非医学领域,如教育、金融、娱乐、智能家居等方面也具有应用前景。

  华鑫证券在研报中指出,目前药物和手术等技术对于因卒中、肌萎缩侧索硬化症(ALS)等引起的中枢神经受损患者,缺少足够的治疗效果,患者长期处于瘫痪等功能失常状态,生活质量差。脑机接口的技术突破了传统机体组织修复的范围,以人机方式实现了功能替代,具有革命性的意义,并且在一些个案上取得突破。2014年巴西世界杯开幕式上,一位高位截瘫的青年借助机械辅助,利用脑机接口开出第一脚球,向全世界展示了脑机接口最直观的临床价值——为运动障碍患者提供辅助工具。目前全球每年新增1200万卒中患者,其中约40%的人群存在中度功能障碍,未来脑机接口在医疗上应用存在广泛的需求。