一枚小小的植入芯片可以讓癱瘓的人恢復(fù)觸覺、操控假肢、使用平板電腦。近年來,多項植入式腦機接口(Brain-Computer Interface,BCI)系統(tǒng)研究給了癱瘓者便利生活的希望。但以往實驗中,癱瘓者的操控能力往往隔一段時間就會 “格式化”,需要重新訓(xùn)練大腦來習(xí)得這種能力。實際應(yīng)用中,大量的日常訓(xùn)練會磨損癱瘓者的耐心,腦機接口設(shè)備的實用性也大打折扣。
最近,加州大學(xué)舊金山分校的一項新研究發(fā)現(xiàn),通過將機器學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于腦機接口系統(tǒng),癱瘓者的大腦可以記住操控電腦光標(biāo)的感覺,即使不再進行日常訓(xùn)練,這部分記憶力可以留存一個半月甚至更久。腦機接口設(shè)備因此可實現(xiàn) “即插即用” 效果。
該研究9月7日發(fā)表于 Nature 子刊《自然生物技術(shù)》(Nature Biotechnology),由加州大學(xué)舊金山分校威爾研究所的神經(jīng)科學(xué)研究團隊完成。
“即插即用”腦機接口系統(tǒng)
“我們一直都想做能真正改善癱瘓患者的日常生活的設(shè)計,而不是做出來就束之高閣”,論文的通訊作者、加州大學(xué)舊金山分校神經(jīng)學(xué)系副教授 Karunesh Ganguly 表示。在和《知識分子》的郵件交流中,他表示該項研究的最大意義是證明了此類設(shè)計無需重新校準(zhǔn)即可獲得穩(wěn)定的性能,并在信號穩(wěn)定時為長期解碼器校準(zhǔn)提供了路線圖。
Ganguly 和同事們的這一實驗持續(xù)了6-7個月。他們以一位四肢癱瘓的患者作為實驗對象,通過手術(shù)將一枚便利貼大小的電極墊植入受試者的大腦表面來探測神經(jīng)活動。術(shù)后幾周,受試者開始用植入芯片控制電腦光標(biāo),一邊想象脖子和手腕的運動一邊注視電腦上光標(biāo)的移動。研究人員開發(fā)了一種基于機器學(xué)習(xí)的算法,能逐漸將電極記錄的受試者大腦活動與光標(biāo)移動進行匹配。一開始,他們每天都重新啟動這個算法,但問題很快出現(xiàn)了:受試者有時候好幾個小時都沒法重新掌握控制光標(biāo)的能力,有幾天甚至完全放棄了。
由于電極信號不穩(wěn)定,過往類似實驗中每天重啟電極是標(biāo)準(zhǔn)做法。但這次,研究者采用了腦皮層電圖(ECoG)電極陣列,這是一種臨床上常用于癲癇灶檢測的電極。不同于馬斯克的Neuralink使用的針式“猶他電極(Utah Array)”,這種電極的表面積更大,雖敏感度不及前者,但可以提供長期穩(wěn)定的信號源。在癱瘓者長期研究中,ECoG的使用需要經(jīng)過特別批準(zhǔn)。“ECoG是非常穩(wěn)定且有應(yīng)用前景的材料,但還沒有什么(研究者)以這種方式使用過它”,Ganguly 表示,“我們的主要創(chuàng)新是將 ECoG 和長期自適應(yīng)解碼器(ltCLDA)結(jié)合,以達到穩(wěn)定的控制?!?/p>
既然有了穩(wěn)定信號源,研究人員決定不再每天重啟算法,而是讓它持續(xù)更新。腦電波信號和機器學(xué)習(xí)算法互動,幾天內(nèi)受試者的控制能力顯著提高了,越到后來,受試者每天到達最好控制狀態(tài)的時間越短。研究者以速度、準(zhǔn)確性和信息傳輸?shù)谋忍芈蕘砗饬靠刂颇芰?,發(fā)現(xiàn)將算法更新的時間控制在大腦能跟上的頻率,即10秒一次的時候,效果最好。
研究人員認(rèn)為,在這一過程中,參與者的大腦能夠放大有效的神經(jīng)活動模式,以通過 ECoG 陣列最有效地驅(qū)動人工界面,同時消除不那么有效的信號,最后發(fā)展出一種牢固而持續(xù)的“心理模型”,這一修剪過程非常類似于大腦的思維方式。
“一旦受試者建立了交互控制方案的持久存儲,就無需進行重置?!?Ganguly 說,“大腦會迅速收斂到相同的解決方案?!?/p>
經(jīng)過兩周左右,實驗達到比較穩(wěn)定的結(jié)果,受試者掌握了控制 “技能”。此后研究人員關(guān)閉算法的自動更新功能,受試者也能 “即插即用” 腦機接口設(shè)備,而且控制能力維持44天也不會減弱。研究人員也探索建立了其他的升級 “技能”,如點擊虛擬按鍵。
目前,該實驗還在進行后續(xù)階段的工作,包括利用腦部信號控制義肢的實驗。Ganguly 表示,雖然目前只有一位受試者數(shù)據(jù),他對實驗結(jié)果是有信心的,因為之前有長期的動物實驗數(shù)據(jù)支撐。目前,研究團隊也在招募更多的受試者。
原文標(biāo)題:首個“即插即用”腦機接口系統(tǒng)誕生,不再擔(dān)心“記憶力”被格式化
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