使用大脑植入物和机器学习来“解码”不会说话的人有意说的话

加州大学戴维斯分校健康中心正在招募临床试验人员，其目标是建造一种“神经假肢”，以恢复失去或正在失去说话能力的人的语言能力。这项研究的对象是患有神经损伤或进行性神经疾病的人，如脊髓损伤、中风和肌萎缩性侧索硬化症(ALS)。

加州大学戴维斯分校也参与了这项研究“大脑之门”这是一个雄心勃勃的大学联盟学术医学中心研究脑-机接口可用于恢复瘫痪患者的神经功能。这种技术有时也被称为脑机接口或neuroprostheses。

“大脑之门”的重点是利用这项技术为瘫痪患者“将想法转化为行动”。该联盟的一些研究已经将“神经手写”转化为输出到计算机的文本，并帮助瘫痪的参与者控制机械臂和机械手。

加州大学戴维斯分校的研究人员专注于一种被称为关节炎的情况，即人们想要说话，但无法控制他们的声带或嘴巴，以产生可听到的语音。

“失去说话能力是毁灭性的。现有的辅助通信技术，如眼球追踪器和吸吸设备，都是缓慢、笨重的，需要使用者和他们的监护人付出大量努力，”医学博士大卫·布兰特曼说。

Brandman是神经外科的助理教授，也是这项研究的现场负责人。他也是加州大学戴维斯分校神经修复实验室的联合主任，并将领导这项研究的手术。“我希望大脑计算机接口技术总有一天会恢复瘫痪患者的功能独立性。”

大脑中负责语言的区域完好无损，但最后的输出步骤丢失了

在一些疾病和损伤的情况下，大脑中负责语言和说话欲望的区域是完整的，但信号不能通过神经和肌肉来接收命令脉冲来产生声音。

在这项新研究中，研究人员希望“读懂”用于运动与说话有关的肌肉的大脑信号——舌头、下巴、嘴唇、喉头和横膈膜——并将人说话的意图翻译成由计算机产生的可理解的语言。

研究人员解释说，这项技术不能读心术或探测内心独白和想法。这项研究技术的开发仅仅是为了将大脑中产生的信号作为有意说话的一部分进行交流。

Sergey Stavisky博士说:“通过植入电极，可以记录产生语言的单个脑细胞的信息，我们希望能够让参与者通过尝试说话来进行交流。”

Stavisky是神经科学家和神经工程师，是神经外科的助理教授。他是这项研究的科学带头人，也是加州大学戴维斯分校神经修复实验室的联合主任。

“有很多悬而未决的问题。我们希望学到什么大脑细胞当别人想说话的时候，你要这样做。例如，这种大脑活动包含什么样的信息?这和这个人试图发出的动作或声音有什么关系?通过这项研究，我们预计我们将能够回答这些和许多其他问题，”斯塔维斯基说。

植入并不是什么新事物，但技术在不断发展

几十年来，大脑植入物一直被用于帮助缓解疾病症状。全球已有数十万人被植入了脑深部刺激装置。该技术通常用于帮助帕金森病、震颤和癫痫患者。在脑深部刺激中，产生电脉冲的植入物被用来控制神经系统疾病的症状。

BrainGate2临床试验的不同之处在于植入物不是为了刺激大脑神经细胞．相反，他们是来“听”他们说话的。

接受这项研究的参与者将在他们大脑中产生语言的区域植入名为“犹他阵列”(Utah Arrays)的小型专门设备。美国食品和药物管理局已经批准在临床试验中测试该设备。

这些阵列从神经细胞获得脉冲(神经记录)，这些脉冲被传送到头顶的两个小金属基座上。底座的直径约为半英寸。从那里，信号可以连接到计算机。

为了将神经细胞的信号转化为预期的语音，研究人员将依靠先进的机器学习技术来创建复杂的计算机算法。他们预计这些算法将能够准确地将神经模式解码为语音。然后，计算机解码的语音可以与文本生成设备或合成语音生成设备配对。

Stavisky指出，研究小组正在测试和改进这些先进的医疗设备，这些设备有可能应用计算机和神经科学的最新进展，提供治疗瘫痪的新方法。

“这是一个激动人心的时刻。我们还有很多要学习的地方，也不能保证这一定会奏效。基于这一领域的进展和我们跨学科研究团队的实力，我希望我们能够迅速取得实质性进展，恢复失去说话能力的人进行自然的实时对话的能力，”Stavisky说。

大脑之门联盟和临床试验的负责人Leigh Hochberg说:“我很高兴地欢迎Brandman博士、Stavisky博士和加州大学戴维斯分校优秀的神经工程团体参加大脑之门临床试验。他们的科学和临床见解无疑将为恢复通信带来突破。”Hochberg是马萨诸塞州总医院的神经强化医生，布朗大学和哈佛医学院的教员，也是维罗维登斯VA卫生系统神经恢复和神经技术的VA研究开发中心主任。

参加者须符合下列条件:

• 18岁以上，住在距离萨克拉门托三小时车程以内的地方。
• 手臂和腿部瘫痪或说话困难。
• 被诊断为脊髓损伤、脑干中风、肌萎缩侧索硬化症或其他退行性运动神经元障碍。

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