科幻电影成真?可意念打字?

来源:科学网 发布于2016-10-17 09:51:53 评论(0)


通过大脑意念直接将想法打印成文字,这样的桥段在不少科幻电影中都有体现。近日,美国斯坦福大学研究人员的研究成果预示了这一“幻想”成为现实的可能。


在这项实验中,研究人员先将一个多电极阵列传感器植入猴子大脑,让它可以在大脑相关区域直接读取手臂控制鼠标的脑电位信号,并训练猴子通过键盘输入屏幕上看到的字符。研究人员通过设计的识别算法来识别猴子打字的脑电位信号,并实现在虚拟键盘上移动光标、选择字母键。最终,经过训练的猴子可以将所看到的文字通过意念“隔空”复写出来,而且最快可以每分钟12个单词的速度输入《纽约时报》的文章或莎士比亚名著《哈姆雷特》的段落。


神奇的意念打字


早在1988年,美国伊利诺伊大学的研究人员Farwell和Donchin首先研发出基于P300的拼写系统,并利用6×6矩阵的行列遍历闪烁来诱发P300电位并形成编码,通过识别不同时间点诱发的P300电位和解析闪烁编码来实现对于矩阵中36个点位的定位。在36个点位放置对应的字符,以此来实现单词的拼写。“拼写器的界面一般为黑色背景,灰色字符,闪烁时为白色。每行每列都会在每轮随机遍历闪烁,所以每轮一共12次。每次计算机都会对顺序做记录,计算机知道行和列闪烁的顺序。所以我们通过识别哪行哪列诱发的P300来定位使用者在看的那个字符。比如当人看目标A的时候,只有在第一行和第一列闪的时候,使用者才会被刺激到,从而诱发P300。”华东理工大学信息科学与工程学院教授金晶在接受《中国科学报》记者采访时介绍道。


这种技术让人或动物大脑与外部设备间建立直接连接通路。不过,这种通路是单向的,计算机只接受大脑传来的命令,并进行相应的显示或命令输出。而且,这项技术也没有想象中的强大,它还需要一点“翻译技巧”。


“若想将大脑中的文章变为文字,一般需要基于特定编码诱发P300电位来实现。”金晶解释说,“在试验时,在受试者眼前摆放一个显示屏幕,屏幕中是一个闪烁字符矩阵,我们只可以在行列交叉点放置需要的字符,根据需要的字符数量设计相应大小的矩阵,可以是6×6的,可以是7×8的。现在有报道的最大矩阵是12×7的诱发矩阵,是由华东理工大学脑机接口团队和格拉茨技术大学脑机接口团队联合开发的。”而且,现在的闪烁模式不同以往,以前定位6×6矩阵的36个点需要闪烁12下才能实现,现在只需9闪甚至更少的闪烁次数就能实现,这样大大节省闪烁时间,提高拼写的速率。


“实际上,每分钟12个单词的速度并不算快,有更快的读取速度,清华大学开发的基于稳态视觉诱发电位的拼写系统大概可以达到一秒一次。”金晶表示,“我们可以根据实际使用者的身体状况和需求来选择不同的拼写系统。”


发展中的脑机接口技术


脑机接口的方式有植入式和非植入式两大类。植入式脑机接口包括针式与贴片式两种。两者都需要进行开颅手术,将电极埋藏在大脑皮层中,绕过头皮与头骨的阻碍,直接监测神经元的活动状况。这样读取信号的方式虽然直接,但由于需要用开放性的外科手术将电极植入到脑内神经组织,这不仅会对用户造成损伤,还要确保伤口长期不被感染,存在一定的技术难度,因此健康人选择这种方式的并不多见。


2012年5月18日,《自然》杂志刊登了一篇论文,这篇来自美国布朗大学、退伍军人事务所等单位的文章,讲述了研究人员帮助瘫痪患者利用大脑思维控制机械臂完成抓握动作,将一瓶咖啡成功从桌上递到该患者嘴边。


现在对于健康人来说最便利的还是非植入式,它可以通过戴在头上的“头盔”读取神经信号。“这样的方式相较于植入式来说不够直接,需要滤除很多噪声信号。”金晶说道。因为神经细胞的放电信号从皮层经由颅骨传到头皮,相关电位会被大大削弱并带来很大的噪声干扰,因而无创伤式采集到的信号分辨率较低。


更好的未来


金晶带领的研究团队也一直从事着脑机接口的研究,他们的研究重点主要集中于康复领域,为脑卒中和运动语言障碍等病人提供新的康复和生活辅助技术。他们做的第一例病人研究便是帮助一位“渐冻人”(肌萎缩侧索硬化症病人,ALS)和家人交流。“通过脑机接口的应用,他可以通过打字告诉医生治疗的反应,并且和家人进行简单的交流。现在,使用过此系统的‘渐冻人’已经超过18例。”金晶介绍说。


在进行实验的10位脑卒中病人中,金晶等研发人员通过外部设备帮助他们麻木的肢体进行运动,通过大脑的主动控制命令直接实现肢体的运动控制,从而建构一个运动闭环,以此来加速大脑损伤区域的康复或功能区域的替代。


“目前,市场上更多的脑机接口产品集中在脑信号信息需求较少的娱乐项目,针对康复的相关脑机接口产品相对较少。我想如果未来能够进一步提高非植入式脑机接口信号采集的便利性和稳定性,脑机接口技术就能帮助更多有需要的人。”金晶总结道。

(原标题:意念打字:让想象成文)

责任编辑:宋金玉