一种在某机构健康中心开发的新型脑机接口能够以高达97%的准确率将大脑信号转换为语音——这是同类系统中最准确的。
研究人员在一位因肌萎缩侧索硬化症而严重丧失语言能力的男性大脑中植入了传感器。该系统激活后几分钟内，该男子就能够传达他想说的话。
关于这项工作的研究发表在《新英格兰医学杂志》上。
ALS，也称为卢伽雷氏症，影响控制全身运动的神经细胞。这种疾病会导致站立、行走和使用双手的能力逐渐丧失。它也可能导致人失去对用于说话的肌肉的控制，从而导致可理解的言语丧失。
这项新技术正在开发中，旨在为那些因瘫痪或ALS等神经系统疾病而无法说话的人恢复交流能力。当使用者尝试说话时，它可以解读大脑信号，并将其转换为计算机“说出”的文本。
“BCI技术帮助一位瘫痪的男子与朋友、家人和护理人员进行了交流，”某机构健康中心的神经外科医生说，“这篇论文展示了迄今为止报告过的最准确的语音神经假体（设备）。”
该医生是这项研究的共同首席研究员和共同资深作者，同时也是某机构健康中心神经外科系的助理教授和神经假体实验室的联合主任。
新型BCI打破交流障碍
当某人试图说话时，新型BCI设备将其大脑活动转换为计算机屏幕上的文本。然后计算机可以大声读出这些文本。
为了开发该系统，研究团队招募了45岁的ALS患者参与BrainGate临床试验。在加入试验时，该患者四肢无力（四肢轻瘫），其言语非常难以理解（构音障碍），需要他人帮助解读。
2023年7月，该医生植入了研究性的BCI设备。他在负责协调言语的大脑区域——左中央前回——植入了四个微电极阵列。这些阵列旨在从256个皮层电极记录大脑活动。
“我们实际上是检测他们试图移动肌肉和说话的意图，”一位神经科学家解释道，他是神经外科系的助理教授、神经假体实验室的联合主任，也是该研究的共同首席研究员。“我们从大脑中试图向肌肉发送这些指令的部分进行记录。我们基本上是在监听这些信号，然后将这些大脑活动模式转换为音素——比如一个音节或言语单位——然后是他们试图说出的词语。”
更快的训练，更好的结果
尽管BCI技术最近取得了进展，但实现交流的努力一直进展缓慢且容易出错。这是因为解释大脑信号的机器学习程序需要大量的时间和数据才能运行。
“以往的语音BCI系统经常出现词语错误。这使得使用者难以被持续理解，成为交流的障碍，”该医生解释道。“我们的目标是开发一个系统，让使用者能够在想要说话时被理解。”
该患者在提示性和自发性的对话场景中都使用了该系统。在这两种情况下，语音解码都是实时进行的，系统持续更新以保持其工作准确性。
解码出的词语显示在屏幕上。令人惊讶的是，这些词语以一种听起来像该患者患ALS之前的声音被大声读出。这个声音是使用经过他患ALS前声音的现有音频样本训练的软件合成的。
在第一次语音数据训练中，系统用了30分钟，在50个单词的词汇量上实现了99.6%的词准确率。
“我们第一次尝试这个系统时，当他试图说出的词语正确出现在屏幕上时，他高兴得哭了。我们所有人都哭了，”该神经科学家说。
在第二次训练中，潜在词汇量增加到12.5万个单词。仅额外增加了1.4小时的训练数据，BCI在这个大幅扩展的词汇量上就实现了90.2%的词准确率。在持续的数据收集之后，BCI保持了97.5%的准确率。
“在这一点上，我们能在大约97%的情况下正确解码他试图说的话，这比许多试图解读人声的商用智能手机应用程序都要好，”该医生说。“这项技术是变革性的，因为它为那些想说话但不能说的人带来了希望。希望像这样的语音BCI技术能帮助未来的患者与家人和朋友交谈。”
该研究报告了32周内84次数据收集的情况。总体而言，该患者使用语音BCI进行了超过248小时的自主节奏对话，用于面对面和视频聊天交流。
“无法交流是如此令人沮丧和士气低落。就像你被困住了一样，”该患者说。“像这样的技术将帮助人们重新融入生活和社会。”
“看到通过这项技术重新获得与家人和朋友交谈的能力，非常有成就感，”该研究的主要作者说，他是某机构健康中心神经外科系的博士后学者。
“该患者和我们的其他BrainGate参与者确实非常了不起。他们加入这些早期临床试验值得高度赞扬。他们这样做并非期望获得任何个人利益，而是为了帮助我们开发一个能够为其他瘫痪者恢复交流和行动能力的系统，”一位共同作者兼BrainGate试验的发起研究员说。该研究员是某医疗机构、某大学和某医疗系统的神经病学家和神经科学家。
该医生是BrainGate2临床试验的现场责任首席研究员。该试验正在招募参与者。
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