意念實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)文字腦機(jī)接口破局失語困境

近日，上海巖思類腦人工智能研究院與復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院合作，在腦機(jī)接口領(lǐng)域取得突破。

10位受試者在大腦植入電極后，經(jīng)過短時(shí)間訓(xùn)練，通過解碼其大腦神經(jīng)電活動(dòng)，與腦部電極相連的電腦就會(huì)實(shí)時(shí)顯示他們想說的中文語句。這一進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段的科研成果，意味著腦機(jī)接口技術(shù)能高效、準(zhǔn)確地將人的想法轉(zhuǎn)化為文字，為漸凍癥、腦卒中等失語患者帶來新的解決方案。

腦機(jī)接口（BCI）是在大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建信息通道，實(shí)現(xiàn)兩者之間直接信息交互的新型交叉技術(shù)。根據(jù)硬件接入方式的不同，腦機(jī)接口可分為侵入式、半侵入式和非侵入式。醫(yī)療領(lǐng)域是當(dāng)前主要應(yīng)用場景，2024年中國腦機(jī)接口醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用占比約為46%。

其中，讓受試者用意念“發(fā)聲”這一細(xì)分場景，近些年不斷實(shí)現(xiàn)突破，上述案例并非孤例。今年初，上海腦虎科技有限公司與復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院合作，成功實(shí)現(xiàn)“腦控”智能設(shè)備和“意念對話”。6月，美國加州大學(xué)戴維斯分校的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的腦機(jī)接口可以讓受試者哼唱出一串音符。

由于腦機(jī)接口技術(shù)可以直接實(shí)現(xiàn)大腦與外部設(shè)備的交互，因此，除讓受試者用意念“發(fā)聲”外，腦機(jī)接口技術(shù)還廣泛應(yīng)用于肢體運(yùn)動(dòng)障礙診療、意識與認(rèn)知障礙診療、精神心理疾病診療等領(lǐng)域，且多個(gè)領(lǐng)域近年來也不斷傳來重磅消息。

失語者用意念“發(fā)聲”

近年來，隨著神經(jīng)科學(xué)與工程技術(shù)的迭代發(fā)展，腦機(jī)接口尤其是語言腦機(jī)接口領(lǐng)域取得系列成就，基本實(shí)現(xiàn)失語患者“腦波轉(zhuǎn)語音”的實(shí)時(shí)溝通。在全球相關(guān)研究的推動(dòng)下，語言腦機(jī)接口有望邁入“毫秒級解碼+自然對話”的醫(yī)療應(yīng)用新階段。

中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所研究員余山近日撰文指出，語言腦機(jī)接口作為腦機(jī)接口的一個(gè)具體應(yīng)用方向，它通過直接檢測大腦活動(dòng)，特別是從控制運(yùn)動(dòng)的腦區(qū)提取與說話相關(guān)的信號，解碼其中包含的語句信息，進(jìn)而控制語音合成設(shè)備“說出”患者想說的話。理想情況下，它就像一個(gè)實(shí)時(shí)的同聲傳譯系統(tǒng)，不僅要準(zhǔn)確解讀人們的意圖和想法，還應(yīng)盡可能快速、保真地輸出自然語言。

在具體應(yīng)用時(shí)，需要考慮不同語言所帶來的技術(shù)障礙。比如，相較英文而言，解讀中文的腦電信號要更難，因?yàn)橛⑽牡囊羲刂挥薪?0個(gè)，而中文的聲母、韻母、四聲的排列組合，使音素多達(dá)400個(gè)以上。

在研究人員的技術(shù)攻堅(jiān)之下，相關(guān)技術(shù)對中文聲母和韻母的識別準(zhǔn)確率均已達(dá)到80%以上。根據(jù)相關(guān)資料，復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院利用多年積累的臨床資源，建立了一個(gè)顱內(nèi)腦電數(shù)據(jù)庫，巖思類腦在這一數(shù)據(jù)庫的支持下研發(fā)出腦電大模型，讀取受試者腦電信號。目前，腦電大模型對中文聲母的識別準(zhǔn)確率超83%，韻母識別準(zhǔn)確率超84%。

上述10位受試者此前已植入多根sEEG（立體定向腦電圖）電極，在模型訓(xùn)練階段，他們耗時(shí)100分鐘，朗讀了54個(gè)漢字。在訓(xùn)練過程中，電極采集了受試者不同腦區(qū)、不同深度的腦電信號，將它們輸入腦電大模型。

臨床試驗(yàn)顯示，腦電大模型可在54個(gè)漢字訓(xùn)練集的基礎(chǔ)上，解讀出1951個(gè)常用漢字，外推率達(dá)到1∶36，具有很強(qiáng)的泛化性。半秒鐘內(nèi)，大模型就能解讀出一個(gè)完整的中文語句，且語句字?jǐn)?shù)沒有限制，理論上可達(dá)到較高的輸出率。

讓受試者用意念“發(fā)聲”，該案例并非孤例。今年初，上海腦虎科技有限公司對外宣布，其在與復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院的合作中取得了突破性進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)在語言區(qū)占位腫瘤癲癇患者上進(jìn)行了柔性腦機(jī)接口植入手術(shù)，患者術(shù)后恢復(fù)良好，5天后實(shí)現(xiàn)142個(gè)常用漢語音節(jié)下71%的解碼準(zhǔn)確率，并且單字解碼時(shí)延小于100毫秒，是當(dāng)時(shí)國內(nèi)實(shí)時(shí)漢語言解碼的最高水平。

國外相關(guān)領(lǐng)域也不斷實(shí)現(xiàn)突破，今年6月，英國Nature雜志（《自然》）發(fā)布一項(xiàng)研究，美國加州大學(xué)戴維斯分校的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)一種腦機(jī)接口，一位因患上漸凍癥（ALS）而喪失了清晰說話能力的45歲男子植入了該設(shè)備，在其發(fā)出有說話意圖的神經(jīng)活動(dòng)信號后10毫秒內(nèi)便可以說出話語，還能以3種音高哼唱出一串音符。

多場景加速落地

讓失語患者重新“發(fā)聲”只是腦機(jī)接口技術(shù)其中的一種應(yīng)用場景。

馬斯克旗下的腦機(jī)接口公司Neuralink日前發(fā)布了其最新研究成果。目前已有7位受試者植入了Neuralink設(shè)備，包括4名脊髓損傷患者與3名ALS患者。受試者通過腦機(jī)接口可以控制電腦、機(jī)械臂等，平均每周使用設(shè)備時(shí)長約50小時(shí)，峰值超100小時(shí)。未來3年，Neuralink將逐步把腦機(jī)接口的能力邊界拓展至語言、視覺、全腦。

北京昌發(fā)展醫(yī)藥健康公司副總經(jīng)理謝新秋向21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者介紹，在醫(yī)療領(lǐng)域，腦機(jī)接口技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用場景，尤其在滿足癱瘓患者康復(fù)需求、神經(jīng)疾病治療及兒童罕見病干預(yù)等方面，將惠及更多患者群體。

麥肯錫預(yù)測，全球腦機(jī)接口醫(yī)療應(yīng)用市場規(guī)模有望在2030年達(dá)到400億美元，2040年達(dá)到1450億美元。其中，以中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療為主的市場規(guī)模2030年預(yù)計(jì)為150億，2040年為850億；以情緒評估與干預(yù)為主的醫(yī)療消費(fèi)市場規(guī)模2030年預(yù)計(jì)為250億，2040年為600億。

也正因其廣闊的應(yīng)用場景，近年來國家持續(xù)推出相關(guān)政策推動(dòng)腦機(jī)接口發(fā)展，北京、上海、四川等地也相繼發(fā)布腦機(jī)接口相關(guān)產(chǎn)業(yè)培育行動(dòng)規(guī)劃。另外，今年以來，北京、武漢、廣州、深圳、上海、新疆等多地相繼建立腦機(jī)接口臨床轉(zhuǎn)化中心。由此可見，腦機(jī)接口技術(shù)正加速從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)實(shí)。

“目前，多地已將腦機(jī)接口列為未來產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)內(nèi)容，積極布局相關(guān)產(chǎn)業(yè)生態(tài)與技術(shù)研發(fā)。昌發(fā)展深耕腦機(jī)接口技術(shù)領(lǐng)域已逾10年，在發(fā)展過程中我們也觀察到，整個(gè)行業(yè)仍面臨諸多挑戰(zhàn)，其中企業(yè)參與度較低、核心技術(shù)門檻過高等問題較為突出。”謝新秋表示，尤其是侵入式腦機(jī)接口技術(shù)難度較高。

學(xué)術(shù)研究《植入式腦機(jī)接口系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、臨床進(jìn)展與技術(shù)挑戰(zhàn)》中也指出，目前雖然臨床試驗(yàn)的植入式腦機(jī)接口技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，但如何構(gòu)建長期穩(wěn)定的神經(jīng)界面、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的信號采集和神經(jīng)調(diào)控仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

一方面，植入式腦機(jī)接口主要依賴電極來記錄神經(jīng)元信號，然而在電極記錄過程中會(huì)由于頭部運(yùn)動(dòng)和電極機(jī)械失配而對組織造成損傷，導(dǎo)致炎癥反應(yīng)和神經(jīng)疤痕、電極周圍細(xì)胞積聚等，影響信號記錄質(zhì)量。另一方面，由于神經(jīng)信號的變異性與復(fù)雜性等固有特質(zhì)，使得構(gòu)建魯棒的解碼器成為一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

需要強(qiáng)調(diào)的是，腦機(jī)接口目前還處于技術(shù)早期探索階段，也因此，國內(nèi)外領(lǐng)先科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)都在腦機(jī)接口技術(shù)方面加大投入，希望在這一領(lǐng)域構(gòu)建核心技術(shù)壁壘。

華福證券近日分析指出，腦機(jī)接口已歷經(jīng)50年發(fā)展歷程，多國為期10年的前期投入已助力腦機(jī)接口技術(shù)和產(chǎn)業(yè)從應(yīng)用萌芽期邁入普及期，有望在10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)“應(yīng)用解決方案效果良好，多類解決方案走向成熟”的目標(biāo)。腦機(jī)接口是事關(guān)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略性領(lǐng)域，其深化發(fā)展有利于我國在未來產(chǎn)業(yè)科技競爭中搶占制高點(diǎn)。

◎ 來源| 21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道