腦機(jī)接口重大突破！華裔科學(xué)家首次用AI直接從大腦合成語音
AI 構(gòu)建神經(jīng)解碼器
隨著科技的發(fā)展，失去說話能力的人已經(jīng)可以通過技術(shù)手段來進(jìn)行交流，不過，這些技術(shù)依然需要他們做一些微小的動(dòng)作，來控制在屏幕上選擇字母或單詞的光標(biāo)。患有運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病的英國物理學(xué)家斯蒂芬霍金就是一個(gè)例子。
現(xiàn)在，利用人工智能技術(shù)，科學(xué)家或許可以讓喪失語言能力的人開口“講話”。
這個(gè)聽上去有些天方夜譚的事情，近期在加州大學(xué)舊金山分校成功實(shí)現(xiàn)了，研究負(fù)責(zé)人 Edward Chang 表示：“為嚴(yán)重言語殘疾患者創(chuàng)造恢復(fù)溝通的技術(shù)是一項(xiàng)長期目標(biāo)。這項(xiàng)研究提供了原理證明：可以從大腦活動(dòng)中產(chǎn)生語音，特別是大腦的語音中心。”
注：Edward Chang 博士是加州大學(xué)舊金山分校的神經(jīng)外科醫(yī)生，專門治療頑固性癲癇，三叉神經(jīng)痛和腦腫瘤。他的研究重點(diǎn)是人類言語、運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知的大腦機(jī)制。他還是加州大學(xué)伯克利分校和加州大學(xué)舊金山分校的神經(jīng)工程與假肢中心的聯(lián)合負(fù)責(zé)人，該中心匯集了工程，神經(jīng)科學(xué)，神經(jīng)科和神經(jīng)外科，以開發(fā)最先進(jìn)的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，以恢復(fù)神經(jīng)殘疾患者的功能。
在文章中，Chang 對(duì)這項(xiàng)研究的進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)地解析。
他解釋說，使用臉頰肌肉激活的發(fā)聲裝置的人必須逐字逐句地打印單詞，所以這些設(shè)備的速度非常慢，每分鐘最多能打印 10 個(gè)單詞，而普通人的自然口語速度為平均每分鐘 150 個(gè)單詞。所以，Edward Chang 和他的團(tuán)隊(duì)決定在構(gòu)建神經(jīng)解碼器時(shí)對(duì)聲音系統(tǒng)進(jìn)行建模。
研究人員在參與者的頭骨中植入與這些類似的電極來記錄他們的大腦信號(hào)
這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的參與者，是 5 位正在加州大學(xué)舊金山分校醫(yī)療中心接受侵入性治療的癲癇患者。治療方式是將手掌大小的電極板直接植入在他們的大腦表面上，患者癲癇發(fā)作后，電極可以在大腦中發(fā)生的地方產(chǎn)生定位。一旦醫(yī)生確定了發(fā)病點(diǎn)，就可以通過移除大腦的病變部分以永久停止癲癇的發(fā)作。
當(dāng)然，除了治療癲癇之外，這塊電極還有一些其他作用，即捕捉語言相關(guān)的腦信號(hào)。
首先，參與者需要大聲朗讀數(shù)百個(gè)句子，此時(shí)的大腦活動(dòng)會(huì)被研究人員記錄下來，并確定哪些信號(hào)控制了所謂的發(fā)聲器官，包括嘴唇、舌頭、下頜、喉頭以及人們?cè)跊]有意識(shí)到的情況下移動(dòng)的嘴和喉嚨的其他部位。通過參與者足夠的腦信號(hào)數(shù)據(jù)，科學(xué)家們能夠創(chuàng)建一個(gè)計(jì)算機(jī)模擬的聲道。
研究人員設(shè)計(jì)了一種循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN），可以將記錄的皮質(zhì)神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲道咬合關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，然后將這些解碼的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為口語句子。
研究小組對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了深度學(xué)習(xí)算法的訓(xùn)練，然后將程序整合到解碼器中。
腦機(jī)交互是未來，但時(shí)機(jī)尚未成熟
很長一段時(shí)間以來，腦機(jī)交互被認(rèn)為是計(jì)算機(jī)與腦科學(xué)發(fā)展的完美結(jié)合，無數(shù)科學(xué)家也在這一領(lǐng)域進(jìn)行不懈的探索。
多年前，一位名叫 Phil Kennedy 的神經(jīng)科學(xué)家曾經(jīng)研究出了一種名為親神經(jīng)電極的技術(shù)，這種技術(shù)可以讓電極長時(shí)間植入人腦，讓腦機(jī)接口有可能從實(shí)驗(yàn)投入實(shí)際使用。1998 年，Phil Kennedy 找到了一位合適的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過植入電極，實(shí)現(xiàn)了讓這位曾經(jīng)是植物人的癱瘓患者可以用意識(shí)打字。
但是由于后續(xù)的實(shí)驗(yàn)遭遇了接連的失敗，接受實(shí)驗(yàn)的患者要么傷口長期不能愈合，要么因?yàn)樯眢w原因去世。Phil Kennedy 甚至在 2014 年在自己的身上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，最后卻還是出現(xiàn)了傷口無法愈合的情況，最后以失敗告終。
而就在不久前，特斯拉 CEO 埃隆·馬斯克曾在推文中提到自己的公司 Neuralink 正在研發(fā)一種技術(shù)，能夠利用超小型植入式芯片，有效地將人類的大腦與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接。馬斯克表示：“Neuralink 的長期目標(biāo)，就是要實(shí)現(xiàn)與人工智能的共存，從而實(shí)現(xiàn)一種智能的民主化，確保這種技術(shù)在研發(fā)成功之后，人工智能將不再是政府和大型企業(yè)所壟斷的純數(shù)字形式。”
值得一提的是，據(jù)知情人士透露，馬斯克的這家公司與 Edward Chang 的團(tuán)隊(duì)似乎在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上有不少的合作，Chang 團(tuán)隊(duì)此次的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，似乎也得到了馬斯克方面的幫助。
自計(jì)算機(jī)出現(xiàn)以來，人們對(duì)于腦機(jī)接口就開始了漫長的追求，雖然 Edward Chang 和團(tuán)隊(duì)的研究帶來了新的希望，但是他本人也表示，目前這項(xiàng)功能只存在于實(shí)驗(yàn)室中，尚不能在現(xiàn)實(shí)中使用。
從原理上來說，Chang 團(tuán)隊(duì)所做的工作并不是徹底將思想轉(zhuǎn)化為語言，而是通過捕捉人們發(fā)聲時(shí)候各個(gè)器官以及腦信號(hào)的活動(dòng)，再將其合成語音，播放出來。
該團(tuán)隊(duì)也明確表示：第一個(gè)成功的模型是在可以說話的人身上試驗(yàn)成功的，至于是否會(huì)對(duì)失去語言能力的人有所幫助，尚有待發(fā)掘。
如果有讀者對(duì)該項(xiàng)研究感興趣，可以查看相關(guān)論文：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1119-1
來源：AI前線
策劃&編輯：Natalie
整理：Vincent
