人工智能如何讓癱瘓婦女恢復(fù)聲音

帕特·貝內(nèi)特的處方比“吃幾片阿司匹林，早上給我打電話”要復(fù)雜一些。但在她的大腦中植入了四個(gè)嬰兒阿司匹林大小的傳感器，旨在解決令她和其他人感到沮喪的問題：失去清晰說話的能力。這些設(shè)備將貝內(nèi)特大腦中幾個(gè)與語音相關(guān)的區(qū)域的信號(hào)傳輸?shù)阶钕冗M(jìn)的軟件，該軟件解碼她的大腦活動(dòng)并將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)屏幕上顯示的文本。

貝內(nèi)特現(xiàn)年 68 歲，曾任人力資源總監(jiān)，曾經(jīng)是一名馬術(shù)運(yùn)動(dòng)員，每天慢跑。2012年，她被診斷出患有肌萎縮側(cè)索硬化癥，這是一種進(jìn)行性神經(jīng)退行性疾病，會(huì)攻擊控制運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)元，導(dǎo)致身體虛弱，最終癱瘓。

“當(dāng)你想到 ALS 時(shí)，你會(huì)想到手臂和腿部的影響，”貝內(nèi)特在通過電子郵件進(jìn)行的采訪中寫道。“但在一群 ALS 患者中，一切都是從言語困難開始的。我無法說話。”

通常，ALS 首先出現(xiàn)在身體的外圍——手臂和腿、手和手指。對(duì)于貝內(nèi)特來說，惡化不是像典型的那樣從她的脊髓開始，而是從她的腦干開始。她仍然可以四處走動(dòng)、穿衣服并用手指打字，盡管難度越來越大。但她無法再使用嘴唇、舌頭、喉部和下頜的肌肉來清晰地發(fā)音出音素(或聲音單位，例如“sh”)，而這些是語音的組成部分。

盡管貝內(nèi)特的大腦仍然可以制定生成這些音素的方向，但她的肌肉無法執(zhí)行這些命令。

研究人員并沒有訓(xùn)練人工智能識(shí)別整個(gè)單詞，而是創(chuàng)建了一個(gè)從音素解碼單詞的系統(tǒng)。這些是語音的子單位，它們形成口語單詞的方式與字母形成書面單詞的方式相同。例如，“Hello”包含四個(gè)音素：“HH”、“AH”、“L”和“OW”。

使用這種方法，計(jì)算機(jī)只需要學(xué)習(xí) 39 個(gè)音素就可以解讀英語中的任何單詞。這既提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，又使其速度提高了三倍。

2022 年 3 月 29 日，斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的一位神經(jīng)外科醫(yī)生在貝內(nèi)特大腦表面的兩個(gè)不同區(qū)域分別放置了兩個(gè)微型傳感器，這兩個(gè)區(qū)域都與語言產(chǎn)生有關(guān)。這些傳感器是皮質(zhì)內(nèi)腦機(jī)接口(iBCI)的組件。與最先進(jìn)的解碼軟件相結(jié)合，它們旨在將伴隨語音嘗試的大腦活動(dòng)轉(zhuǎn)化為屏幕上的文字。

手術(shù)后大約一個(gè)月，斯坦福大學(xué)的一組科學(xué)家開始每周兩次的研究課程，以訓(xùn)練解釋她演講的軟件。四個(gè)月后，Bennett 嘗試的話語以每分鐘 62 個(gè)單詞的速度在計(jì)算機(jī)屏幕上轉(zhuǎn)換為單詞，是之前 BCI 輔助通信記錄的三倍多。

貝內(nèi)特寫道：“這些初步結(jié)果證明了這個(gè)概念，最終技術(shù)將迎頭趕上，讓不會(huì)說話的人也能輕松使用它。” “對(duì)于那些不會(huì)說話的人來說，這意味著他們可以與更大的世界保持聯(lián)系，也許可以繼續(xù)工作，維持朋友和家庭關(guān)系。”

接近說話的速度

進(jìn)行手術(shù)的外科醫(yī)生杰米·亨德森 (Jaimie Henderson) 醫(yī)學(xué)博士說，貝內(nèi)特的速度開始接近英語使用者自然對(duì)話的每分鐘大約 160 個(gè)單詞的速度。

亨德森說：“我們已經(jīng)證明，你可以通過記錄大腦表面一個(gè)非常小的區(qū)域的活動(dòng)來解碼想要的語音。”

神經(jīng)外科系的 John、Jean Blume-Robert 和 Ruth Halperin 教授 Henderson 是一篇描述該結(jié)果的論文的共同高級(jí)作者，該論文于 8 月 23 日發(fā)表在《自然》雜志上。

他的共同資深作者、電氣工程和生物工程教授 Krishna Shenoy 博士在研究發(fā)表前去世。

弗蘭克·威利特 (Frank Willett) 博士是霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的一名科學(xué)家，隸屬于亨德森和謝諾伊于 2009 年共同創(chuàng)立的神經(jīng)修復(fù)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)室，他與研究生艾琳·昆茲 (Erin Kunz) 和范超飛 (Chaofei Fan) 共同擔(dān)任該研究的主要作者。

2021 年，Henderson、Shenoy 和 Willett 是《自然》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究的共同作者，該研究描述了他們成功地使用 iBCI 將癱瘓者想象的筆跡轉(zhuǎn)換為屏幕上的文本，達(dá)到了每分鐘 90 個(gè)字符或 18 個(gè)單詞的速度—迄今為止 iBCI 相關(guān)方法的世界紀(jì)錄。

2021年，貝內(nèi)特了解了亨德森和謝諾伊的工作。她聯(lián)系了亨德森并自愿參加臨床試驗(yàn)。

怎么運(yùn)行的

亨德森植入貝內(nèi)特大腦皮層(大腦最外層)的傳感器是微小硅電極的方形陣列。每個(gè)陣列包含 64 個(gè)電極，排列成 8×8 網(wǎng)格，彼此間隔的距離約為信用卡厚度的一半。電極穿透大腦皮層的深度大致等于兩個(gè)堆疊的四分之一的深度。

植入的陣列連接到細(xì)金線上，這些細(xì)金線通過用螺釘固定在頭骨上的基座引出，然后通過電纜連接到計(jì)算機(jī)。

人工智能算法接收并解碼貝內(nèi)特大腦發(fā)出的電子信息，最終教會(huì)自己區(qū)分與她試圖表達(dá)構(gòu)成英語口語的 39 個(gè)音素中的每一個(gè)相關(guān)的不同大腦活動(dòng)。

它將對(duì)貝內(nèi)特嘗試的音素序列的最佳猜測(cè)輸入到所謂的語言模型中，該模型本質(zhì)上是一個(gè)復(fù)雜的自動(dòng)更正系統(tǒng)，它將音素流轉(zhuǎn)換為它們所代表的單詞序列。

“這個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過訓(xùn)練，知道哪些單詞應(yīng)該出現(xiàn)在其他單詞之前，以及哪些音素構(gòu)成哪些單詞，”威利特解釋道。“如果某些音素被錯(cuò)誤地解釋，仍然可以進(jìn)行很好的猜測(cè)。”

熟能生巧

為了教會(huì)算法識(shí)別哪些大腦活動(dòng)模式與哪些音素相關(guān)，貝內(nèi)特進(jìn)行了大約 25 次訓(xùn)練，每次持續(xù)約四個(gè)小時(shí)，在此期間，她嘗試重復(fù)從由對(duì)話樣本組成的大型數(shù)據(jù)集中隨機(jī)選擇的句子在打電話的人們中間。

舉個(gè)例子：“過去五年才這樣。” 另一個(gè)：“我就在中間離開了。”

當(dāng)她嘗試背誦每個(gè)句子時(shí)，貝內(nèi)特的大腦活動(dòng)會(huì)被解碼器翻譯成音素流，然后由自動(dòng)更正系統(tǒng)組裝成單詞，并顯示在屏幕上原始內(nèi)容下方。然后屏幕上就會(huì)出現(xiàn)新的句子。

Bennett 在每次訓(xùn)練中重復(fù) 260 到 480 個(gè)句子。隨著貝內(nèi)特嘗試演講時(shí) 大腦活動(dòng)的熟悉，整個(gè)系統(tǒng)不斷改進(jìn)。

iCBI 的預(yù)期語音翻譯能力在培訓(xùn)課程中使用的不同句子上進(jìn)行了測(cè)試。當(dāng)句子和單詞組裝語言模型僅限于 50 個(gè)單詞的詞匯時(shí)(在這種情況下，所使用的句子是從特殊列表中抽取的)，翻譯系統(tǒng)的錯(cuò)誤率為 9.1%。

當(dāng)詞匯量擴(kuò)展到 125,000 個(gè)單詞(大到足以組成幾乎任何你想說的內(nèi)容)時(shí)，錯(cuò)誤率上升到 23.8%——遠(yuǎn)非完美，但與之前的技術(shù)水平相比已經(jīng)邁出了步。

“這是一個(gè)科學(xué)的概念證明，而不是人們可以在日常生活中使用的實(shí)際設(shè)備，”威利特說。“但這對(duì)于恢復(fù)無法說話的癱瘓患者的快速溝通來說是一個(gè)巨大的進(jìn)步。”

貝內(nèi)特寫道：“想象一下，當(dāng)非語言的人能夠用語言表達(dá)自己的想法時(shí)，購(gòu)物、赴約、點(diǎn)餐、去銀行、打電話、表達(dá)愛意或欣賞甚至爭(zhēng)論等日常活動(dòng)將會(huì)有多么不同。”即時(shí)的。”

本研究中描述的設(shè)備僅授權(quán)用于研究用途，不可商用。這項(xiàng)注冊(cè)臨床試驗(yàn)是在 BrainGate 的支持下進(jìn)行的，BrainGate 是一個(gè)多機(jī)構(gòu)聯(lián)盟，致力于推進(jìn)腦機(jī)接口在假肢應(yīng)用中的使用，由研究合著者、神經(jīng)學(xué)家 Leigh Hochberg 博士領(lǐng)導(dǎo)麻省總醫(yī)院、布朗大學(xué)和弗吉尼亞州普羅維登斯(羅德島)醫(yī)療保健系統(tǒng)的研究員。

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