美科学家成功将大脑信号“翻译”成口语单词
时间:2017-12-08

  科学网 - 美国科学家成功地将大脑信号翻译成口语

  显示癫痫患者的脑部MRI,显示两个电极的位置。一种电极是传统的皮质电极(黄色),用于定位发作的来源,从而帮助医生进行手术。两套实验微皮质电极用于红色。每个阵列由16个微电极组成,用于读取来自大脑的语音信号。

  该图显示放置在癫痫患者脑部顶部的两个电极。用数字标记的较大电极是皮质电极。此外,两个较小的微电极阵列也被放置在志愿者大脑的两个语言区域之上。

  微电极阵列,也被称为微皮质电极栅格。 25美分硬币上显示一组以4 * 4模式排列的微电极阵列。

  北京时间9月8日消息,据国外媒体报道,犹他大学科学家最近用两组植入癫痫患者的脑微电极阵列成功地将脑信号转化为口语。这一重大研究成果将帮助失语患者发展瘫痪的患者轻松表达自己的想法。

  据科学家介绍,微电极阵列每组包括16个微电极,通常植入颅骨下方和脑部上方。犹他大学生物工程学助理教授布拉德利 - 格里尔(Bradley-Greer)说,用这种装置我们可以得到大脑的信号。仅凭这些大脑信号,我们就可以将其解码为人类说话的单词。这些设备将为因严重瘫痪而丧失语言能力的患者提供长期的帮助。

  由于这种方法需要进一步完善,除了植入大脑的复杂过程之外,Greer说这种方法需要几年的时间才能用于治疗特应性综合征等疾病的临床试验。科学家发表在9月号“神经工程杂志”上的论文证明了将脑信号解码为计算机生成的口语的可行性。

  犹他州的研究团队在志愿者语言中心的大脑中植入了两列微电极。志愿者有严重的癫痫症,已经接受了开颅手术。因此,医生很容易在癫痫发作的源头处放置较大的传统电极,从而防止癫痫发作的手术。

  患者被要求阅读以下十个英文单词,即不,热,冷,饥,渴,再见,再见。一般认为这十个英文单词对麻痹病人的康复有帮助。当病人重复这十个英文单词时,科学家们也记录下他的大脑信号。接下来,他们试图解码这些脑信号中每一个所表示的十个字中的哪一个。当患者说“是”或“否”时,科学家分别比较这两个词所产生的大脑信号。

  目前,他们已经能够更好的区分每个单词的大脑信号,每次的准确率在76%到90%之间。但是,一次测试10个脑电信号的精度只有28%〜48%。这个准确度比随机测试的准确度要高(应该是10%)。然而,对于将患者思维转化为计算机化口语的设备来说,这个准确度还不够高。

  格里尔说这是一个概念实验。我们已经表明,这些信号告诉你病人说什么,比随机更准确。但是,我们需要进一步改进,以便更准确地识别更多的单词。这样,病人才能真正发现它的用处。 Greager希望病人最终能从研究中受益。将来,病人的想法可以转化为使用无线设备的计算机化口语。这些患者包括因中风,Graco病和创伤而导致瘫痪的患者,LSD患者通常与其他人进行交流,如眨眼睛或轻轻地移动双手。

  犹他大学与Gregg合作的其他成员包括电子工程师Spencer Collins,工程学院院长Richard Brown和神经外科助理教授Paul Haus。该论文的另一位合着者Kay-Miller是来自美国华盛顿大学的神经科学家。该研究由美国国立卫生研究院,国防部高级研究计划局,犹他州研究基金会和美国国家自然科学基金会共同发起。

  这项研究使用了一种新型的非穿透性微电极,放置在大脑上,但没有穿透大脑。它们通常也被称为微电极阵列,因为它们是在皮层电极(微皮层电极)中使用的较大电极的小型化版本。

  对于一些不受控制的药物治疗的癫痫患者,含有CEC电极的硅胶垫可以通过开颅手术放置在脑部几天或几周。这个按钮大小的皮层电极不能穿透大脑,但可以检测到异常的电子行为,帮助外科医生找到并移除导致癫痫发作的一部分大脑。

  去年,Greer和同事发表了一篇论文,证明较小的微电极可以读取控制手臂运动的大脑信号。去年参加研究的一名癫痫病人自愿参加今年的新研究项目。

  由于微电极不需要穿透大脑物质,因此将它们放置在大脑的语言控制区域是安全的。使用穿透电极也是不可能的。在一些实验中,穿透电极通常用于帮助麻痹病人控制电脑鼠标或操纵假肢。

  脑电图电极通常用于记录颅骨上的脑电波,但是这样的电极太大,记录了太多的脑信号,使得难以将这些信号解码为口语。

  在新的研究中,微电极被用来检测由数千个神经元产生的大脑的微弱信号。两个微电极阵列分别由16个微电极组成,每个微电极相隔1毫米。两组微电极阵列被放置在脑的两个语言区域之上。第一个区域是面部运动皮层,控制运动的面部,嘴唇,舌头和其他部位,主要涉及讲话肌肉。第二个区域是Venekin区域,它是人脑关于语言理解的区域。

  研究实验历时四天,每天一个阶段,每个阶段一个小时。研究人员告诉癫痫病人,每次他们指向病人,他们必须重复十个字中的一个。通过两组微电极阵列,研究人员记录了大脑信号。每个字已经重复了31次到96次。

  根据Greer的研究,研究人员通过分析每个神经信号的不同频率的强度变化来区分不同词的脑信号。研究人员发现,每个说出的单词都会产生不同的大脑信号。在他们看来,这大大支持了放在大脑上的微电极捕捉大脑的语言信号的理论。

  另外,科学家们也在研究中发现了一个意想不到的发现。当患者重复这个词时,大脑在面部运动皮层中是最活跃的,而Venekin区域则不那么活跃。然而,当病人感谢研究人员完成上述练习时,威尼斯地区变得活跃起来。 Greer解释说,这表明Verkhnyk的区域与更高级别的语言理解功能更密切相关,而面部运动皮层的功能是控制帮助发声的面部肌肉。通过使用面部运动皮层中记录的脑信号,研究人员将这些字逐个分开,最高精度达到85%。当使用维基人区记录的大脑信号进行判别时,精确度很低,为76%。

  科学家们还从每个阵列中选取了16个微电极中的5个,其中最高的是从面部运动皮层解码信号时的32个微电极。当他们区分单词时,他们可以获得几乎90%的准确性。在用十个字来识别一个词的更复杂和困难的实验中,每个采集的初始准确度仅为28%。虽然这个准确率不够高,但比随机率高10%。然而,当研究人员确定每组中五个最精确的微电极时,他们发现准确度几乎达到了48%。

  格里尔说,这并不意味着问题已经完全解决,我们可以回家。这表明,这种技术是可行的,但我们仍然需要继续改进,直到有闭锁的疾病的人才能真正交流。显然,我们的下一个计划是使用更大的微电极阵列,如11×11个微电极阵列,共121个微电极。我们可以做更多的阵列,使用更多的微电极,并从大脑中获取更多的数据。这意味着可以读取更多的单词并且准确度更高。

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