斯坦�？茖W(xué)家意外發(fā)現(xiàn)人類言語的新突破

　　2020年,小時候經(jīng)常出現(xiàn)在科幻小說里的年份,竟然,真的,要來了!!

　　汽車天上飛、機(jī)器人做家務(wù)、衣服自動調(diào)節(jié)溫度、一些人移民火星、腦電波傳送意識……這些曾經(jīng)被“設(shè)定”在2020年的世界。科幻雖然沒有完全變成現(xiàn)實,但我們無疑正在見證很多新技術(shù)的誕生,有些進(jìn)展甚至超越曾經(jīng)的想象。

　　腦機(jī)接口(BCI)就是一項聽起來頗為科幻的技術(shù),它借助對神經(jīng)電活動信號的解讀,實現(xiàn)外部設(shè)備與大腦的信息交流。最近,來自斯坦福大學(xué)的神經(jīng)外科專家和工程師聯(lián)合,在腦機(jī)接口領(lǐng)域取得的意外發(fā)現(xiàn),顛覆了人們過去幾十年對大腦的認(rèn)識,也提供了一條新途徑,未來可以讓研究人員幫助喪失說話能力的人恢復(fù)言語。

　　▲研究成果發(fā)表在著名開源期刊eLife▲研究成果發(fā)表在著名開源期刊eLife

　　1930年代,神經(jīng)外科醫(yī)生Wilder Penfield與同事提出過一個模型,來解釋大腦如何控制動作。在大腦橫跨頭頂位置的一長條區(qū)域,也就是運動皮層,不同的片區(qū)分別控制著手、腿、臉等不同部位的動作。

　　后來的研究逐漸讓這個簡化的模型更復(fù)雜,比如發(fā)現(xiàn)負(fù)責(zé)手指、手掌等細(xì)分部位的腦區(qū)有一定交叉。但總的來說,正如我們在神經(jīng)科學(xué)教科書上常看到的“運動小人”模型所示:人體各個主要部位受到皮層不同區(qū)域分別控制。

　　▲“運動小人”的器官越大,說明大腦負(fù)責(zé)該器官動作的運動皮層區(qū)域越大(圖片來源:123RF) ▲“運動小人”的器官越大,說明大腦負(fù)責(zé)該器官動作的運動皮層區(qū)域越大(圖片來源:123RF)

　　在十年前啟動的一項臨床試驗中,研究腦機(jī)接口的科學(xué)家們開始在一些志愿者的大腦皮層植入特殊的傳感器,讀取特定腦區(qū)的神經(jīng)元信號,并用算法把信號轉(zhuǎn)化為動作,目的是讓這些癱瘓的志愿者靠“意念”控制計算機(jī)和假肢之類的設(shè)備。

　　在其中幾名參與者的大腦中,傳感器就被放置在他們運動皮層內(nèi)一個被稱為“把手(hand knot)”的區(qū)域。這個區(qū)域過去一直被認(rèn)為與手和手臂的動作有關(guān)。

　　2017年,斯坦福大學(xué)的電氣工程學(xué)家Krishna Shenoy教授和神經(jīng)外科專家Jaimie Henderson教授聯(lián)合,發(fā)表了該項目的一項重磅進(jìn)展:他們利用這一腦機(jī)接口解碼了該腦區(qū)神經(jīng)元的“運動手和手臂”的信號,讓幾名癱瘓人士成功實現(xiàn)了精準(zhǔn)快速的意念打字!

　　▲植入大腦運動皮層“把手”區(qū)域的兩個傳感器,可以記錄該區(qū)域的神經(jīng)活動▲植入大腦運動皮層“把手”區(qū)域的兩個傳感器,可以記錄該區(qū)域的神經(jīng)活動

　　當(dāng)Shenoy教授和Henderson教授共同領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊在繼續(xù)解碼這幾名志愿者腦中的神經(jīng)信號時,這一次有了出乎意料的新發(fā)現(xiàn)!

　　第一作者Stavisky博士介紹,參與試驗的2名患者因脊髓損傷而四肢癱瘓,但仍然可以說話。于是,研究人員得以在志愿者大聲說話時,去查看他們運動皮層手部活動相關(guān)區(qū)域的神經(jīng)活動�！斑@是一個典型的‘我不知道會發(fā)生什么’的研究,”Shenoy教授說,“但我們說:試一試吧�！�

　　▲傳感器上的電極陣列能以單個神經(jīng)元的分辨率記錄志愿者的神經(jīng)活動信號

    ▲傳感器上的電極陣列能以單個神經(jīng)元的分辨率記錄志愿者的神經(jīng)活動信號(Howard Hughes Medical Institute,Credit:Peter Barreras)結(jié)果,Stavisky博士和同事們發(fā)現(xiàn),給出“開始說話”的提示后,志愿者的神經(jīng)元活動竟然也發(fā)生了明顯的變化。這些神經(jīng)元本該在控制手和手臂運動時活躍,沒想到的是,它們在志愿者發(fā)聲說話時也變得活躍。

　　不僅如此,當(dāng)志愿者發(fā)出的聲音不同,這些神經(jīng)元的活動模式也有所不同。研究者向志愿者提供了10個詞組成的列表,分別記錄他們在說每個詞時的神經(jīng)信號。通過分析神經(jīng)活動模式,研究人員可以識別出志愿者是在說哪個詞,在2名志愿者中的準(zhǔn)確率達(dá)到85%和55%!

　　Stavisky博士表示,他們接下來想要在志愿者說更長句子和段落時,記錄這一腦區(qū)的神經(jīng)活動。然后,通過解碼神經(jīng)信號,來重現(xiàn)志愿者說的話。

　　▲這項研究的三位主要作者Stavisky博士、Shenoy教授和Henderson教授▲這項研究的三位主要作者Stavisky博士、Shenoy教授和Henderson教授

　　腦機(jī)接口領(lǐng)域的另一位知名科學(xué)家、加州大學(xué)舊金山分校的Edward Chang教授評論說,“這篇論文讓我感到非常興奮。它引發(fā)了一個問題:大腦特定區(qū)域的功能分配有多強(qiáng)的排他性……我認(rèn)為這(缺乏排他性)是我們過去沒有充分意識到的�！�

　　這也意味著,讓失去說話能力的人重新發(fā)聲說話,運動皮層中與手部動作有關(guān)的區(qū)域或許是一個過去未知的突破口。

責(zé)任編輯：胡金鵬