新型脑机接口让ALS患者重新“说话”

加州大学戴维斯分校健康中心开发的新型脑机接口 (BCI) 可以将脑信号转化为语音，准确率高达 97%——是同类系统中最准确的。研究人员在一名因肌萎缩侧索硬化症 (ALS) 而语言能力严重受损的男子的大脑中植入了传感器。该男子在启动系统几分钟后就能说出自己想要说的话。相关研究成果近日发表在《新英格兰医学杂志》上。

ALS 又称卢格里格氏症，会影响控制全身运动的神经细胞。这种疾病会导致患者逐渐丧失站立、行走和使用双手的能力。它还会导致患者失去对说话肌肉的控制，从而无法听懂别人说话。

这项新技术的开发旨在帮助瘫痪或 ALS 等神经系统疾病导致无法说话的人恢复交流能力。它可以解读用户说话时的脑信号，并将其转换成计算机大声朗读的文本。

加州大学戴维斯分校神经外科医生戴维·布兰德曼表示：“我们的 BCI 技术帮助一名瘫痪男子与朋友、家人和护理人员进行交流。我们的论文展示了迄今为止最准确的语音神经假体。”

布兰德曼是这项研究的联合首席研究员和联合资深作者。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。

当有人试图说话时，新的 BCI 设备会将他们的大脑活动转换成计算机屏幕上的文本。然后计算机就可以大声朗读这些文本。

为了开发该系统，该团队招募了 45 岁的 ALS 患者 Casey Harrell 参加 BrainGate 临床试验。在参加试验时，Harrell 的手臂和腿部无力（四肢瘫痪）。他的言语很难理解（构音障碍），需要其他人帮助他翻译。

2023 年 7 月，布兰德曼植入了研究用的 BCI 设备。他将四个微电极阵列放入左中央前回，这是大脑中负责协调言语的区域。这些阵列旨在记录来自 256 个皮质电极的大脑活动。

“我们确实在检测他们试图移动肌肉和说话，”神经科学家谢尔盖·斯塔维斯基 (Sergey Stavisky) 解释道。斯塔维斯基是神经外科系的助理教授。他是加州大学戴维斯分校神经假体实验室的联合主任，也是这项研究的联合首席研究员。“我们正在记录试图向肌肉发送这些命令的大脑部分。我们基本上是在倾听，并将这些大脑活动模式转化为音素，比如音节或语音单位，然后是他们试图说的单词。”

尽管 BCI 技术最近取得了进展，但实现通信的努力仍然进展缓慢且容易出错。这是因为解释脑信号的机器学习程序需要大量的时间和数据才能完成。

“以前的语音 BCI 系统经常出现单词错误。这导致用户很难始终理解他们说的话，并且成为沟通的障碍，”布兰德曼解释道。“我们的目标是开发一种系统，让人们无论何时想说话都能被理解。”

Harrell 在提示式和即兴对话环境中都使用了该系统。在这两种情况下，语音解码都是实时进行的，并且系统会不断更新以保证其准确运行。

解码后的单词将显示在屏幕上。令人惊奇的是，这些单词被大声朗读出来，听起来就像哈雷尔患上 ALS 之前的声音。该声音是使用软件合成的，该软件已用哈雷尔患 ALS 之前的声音样本进行了训练。

在第一次语音数据训练中，该系统花了 30 分钟，以 50 个词的词汇量实现了 99.6% 的词汇准确率。

“我们第一次尝试这个系统时，当他想说的单词正确地出现在屏幕上时，他高兴得哭了。”斯塔维斯基说。

在第二次训练中，潜在词汇量增加到 125,000 个单词。仅用了 1.4 小时的额外训练数据，BCI 就在这个大大扩展的词汇量下实现了 90.2% 的单词准确率。在继续收集数据后，BCI 的准确率仍保持着 97.5%。

“目前，我们大约 97% 的时间可以正确解码 Casey 想要说的话，这比许多试图解读人的声音的商用智能手机应用程序要好。”Brandman 说，“这项技术具有变革性，因为它为想说话但不能说话的人带来了希望。我希望像这种语音 BCI 这样的技术将帮助未来的患者与家人和朋友交谈。”

该研究展示了 32 周内的 84 次数据收集会议。总的来说，Harrell 在超过 248 小时的时间里使用语音 BCI 进行自定节奏的对话，进行面对面和视频聊天交流。返回搜狐，查看更多

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