美科學家成功將大腦信號“翻譯”成口語單詞

日期：2010-09-08 17:07:13

一位癲癇癥患者大腦的核磁共振成像圖，圖片顯示兩種電極的位置分布情況。一種電極是傳統的腦皮層電圖電極(黃色)，用于定位癲癇發作的源頭，從而幫助醫生進行手術。紅色的則是兩組實驗用微腦皮層電圖電極，每組陣列包括16個微電極，用于讀取來自大腦的語言信號。

本圖顯示了置于癲癇癥患者大腦頂部的兩種電極。較大的標有數字的電極就是腦皮層電圖電極。此外，志愿者大腦的兩個語言區頂部還被置放兩組更小的微電極陣列。

　　微電極陣列，也被稱為微腦皮層電圖電極網格。一組微電極陣列排列成4*4的模式，被展示于一枚25美分硬幣上。

北京時間9月8日消息，據國外媒體報道，美國猶他大學科學家近日利用兩組植入癲癇患者大腦中的微電極陣列成功實現將大腦信號轉化為口語單詞。這一重大研究成果將能夠幫助因患嚴重麻痹癥而失去語言能力的患者輕松地表達自己的思想。

據科學家介紹，這種微電極陣列每組包括16個微電極，通常植入到頭骨之下，大腦之上。美國猶他大學生物工程學助理教授布拉德利-格雷格爾介紹說，“通過這種設備我們可以獲得大腦信號。只需這些大腦信號，我們就可以將其解碼為人類口語單詞。這種設備將可以長期幫助因患嚴重麻痹癥而失去語言能力的患者。”

由于這種方法還需進一步完善，此外還涉及到植入大腦這一復雜的過程，因此格雷格爾表示該方法要投入到用于治療“閉鎖綜合癥”等疾病的臨床實驗還需數年時間。科學家的研究成果論文發表于九月版的《神經工程學期刊》（Journal of Neural Engineering）之上，論文論證了將大腦信號解碼為計算機發音的口語單詞的可行性。

猶他大學的科研團隊將兩組微電極陣列植入到一位志愿者的大腦語言中樞上方。這位志愿者患有嚴重的癲癇癥，已經經歷過一次開顱手術。因此，醫生很容易將更大的傳統電極放置于導致他癲癇發作的源頭，從而從手術上可以阻止癲癇的發作。

患者被要求閱讀如下十個英語單詞，即“是、不、熱、冷、饑餓、口渴、哈羅、再見、更多和更少”。通常認為，這十個英語單詞對于麻痹癥患者的康復很有幫助。隨著患者不斷重復這十個英語單詞，科學家們也記錄下他的大腦信號。接下來，他們在嘗試解碼這些大腦信號分別代表十個單詞中的哪一個。當患者說 “是”或“不”時，科學家們再分別對比這兩個單詞所產生的大腦信號。

目前，他們已能夠較好地區分清每一個單詞的大腦信號，每一次的準確率達76%到90%。不過，當他們一次性檢測所有10個大腦信號時，準確率只有28%到48%。這一準確率比隨機檢測的準確率(應該是10%)要高。但是，對于一個將患者思想翻譯為計算機發音的口語語言的設備來說，這種準確率還不夠高。

格雷格爾表示，“這是一種概念的實驗。我們已經證明這些信號能夠告訴你患者在說什么，而且準確率比隨機性要高。但是，我們需要進一步完善，爭取能夠識別出更多的單詞，準確率更高。這樣，患者將能夠真正地發現它的用處。”格雷格爾希望，患者最終將受益于這項研究成果。將來，通過一個無線設備，就可以將患者的思想轉化為計算機發音的口語語言。這些患者包括由于腦中風、葛雷克氏癥以及外傷導致的麻痹癥患者。“閉鎖綜合癥”患者通常通過自己盡可能做出的動作與他人進行交流，如眨眼睛或輕輕地移動手部。

與格雷格爾一起共事的猶他大學研究團隊的其他成員還包括電子工程師斯賓塞-科利斯、工程學院院長理查德-布朗以及神經外科學助理教授保羅-豪斯等人。論文的另一聯合作者凱-米勒是來自美國華盛頓大學的一位神經學科學家。這項研究由美國國立衛生研究院、美國國防部高級研究計劃署、猶他大學研究基金會以及美國國家自然科學基金會等單位聯合贊助。

這項研究采用了一種新型的非穿透性微電極，這種電極置于大腦之上，但沒有穿透大腦。它們通常也被稱為“微電極陣列”，因為它們是用于腦皮層電圖中的體積更大的電極的微縮版，即微腦皮層電圖電極。

對于某些通過藥物治療病情仍未得到控制的癲癇癥患者來說，可以通過開顱手術，將一個包含有腦皮層電圖電極的硅樹脂墊置于大腦之上數日或數周時間。這種鈕扣大小的腦皮層電圖電極不會穿透大腦，但可以檢測到反常的電行為，從而幫助外科醫生定位并移除大腦中導致癲癇發作的一小部分。

去年，格雷格爾和同事們已經發表過一篇論文，該論文證明，更小的微電極能夠“讀取”用于控制手臂動作的大腦信號。去年參與研究的一位癲癇癥患者志愿參與今年的新研究計劃。

由于微電極不需要穿透大腦物質，因此它們放置到大腦的語言控制區被認為是安全的。而利用穿透性電極也是無法做到這一點的。在一些實驗中，通常利用穿透性電極來幫助麻痹癥患者控制電腦鼠標或操縱義肢。

腦電圖電極通常用于放在頭顱之上來記錄腦電波，但是這種電極太大，而且記錄太多的大腦信號，以致于很難將這些信號解碼為口語語言。

在新研究中，微電極被用于檢測來自大腦的微弱信號，這些信號由數千個神經元產生。兩組微電極陣列分別由16個微電極組成，每個微電極相隔一毫米。兩組微電極陣列分別置放于大腦的兩個語言區上方。第一個區域是面部運動皮層，它控制面部、嘴唇、舌頭等部位的運動，主要涉及說話的肌肉。第二個區域是威尼克區，這是人類大腦中關于語言理解功能的區域。

研究實驗共持續四天，每天一個階段，每階段一個小時。研究人員告訴癲癇癥患者，當他們每一次指向患者時，患者必須要不斷重復十個單詞中的一個。通過兩組微電極陣列，研究人員將大腦信號記錄下來。每個單詞共重復了31次到96次不等。

格雷格爾介紹說，研究人員接下來通過分析每一個神經信號的不同頻率的強度變化，區別出不同單詞的大腦信號。研究人員發現，每一個口語單詞產生不同的大腦信號。他們認為，這有力地支持了如下理論，即置于大腦上的微電極可以捕捉到大腦的語言信號。

此外，科學家們還在研究中取得了一個意外的發現。當患者重復單詞時，大腦面部運動皮層最活躍，而威尼克區則不夠活躍。但是，當患者完成上述動作受到研究人員感謝時，威尼克區則開始活躍起來。格雷格爾解釋說，這表明威尼克區與更高層的語言理解功能的關系更密切，而面部運動皮層功能則是控制面部幫助發聲的肌肉。通過利用錄自面部運動皮層的大腦信號，研究人員一個一個地區分這些單詞時，準確率最高，達到85%。而利用錄自威尼克區的大腦信號進行區分時，準確率則相當較低，為76%。

科學家們又分別選取了每組陣列16個微電極中的五個，這十個微電極在解碼來自面部運動皮層的信號時準確率是32個微電極中最高的。它們在對單詞進行二選一辨別時，準確率幾乎可以達到90%。在從十個單詞中識別一個單詞這樣更復雜、更困難的實驗中，最初每一次取得的準確率僅為28%。這一準確率盡管不夠高，但是比10%的隨機率要高。然而，當研究人員利用每一組中五個最準確的微電極進行識別時，他們發現準確率幾乎可以達到48%。

格雷格爾表示，“這并不意味著問題已完全解決，我們可以回家了。它表明，這種技術具有可行性，但我們還需要繼續完善，直到閉鎖綜合癥等疾病患者能夠真正地交流。很明顯，我們下一步計劃是，使用更大的微電極陣列，比如11*11微電極陣列，共121個微電極。我們可以做更多的陣列，可以使用更多的微電極，可以從大腦中獲取更多的數據。這意味著可以讀出更多的單詞，準確率更高。”