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脑机接口技术让猴子可以一分钟打出12个单词

时间: 2016年09月26日 | 作者: Eliza Strickland | 来源: IEEE Spectrum
脑机接口结合新算法可以帮助行动不便的人更好的控制计算机以及与人交流。


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To be or not to be. That is the question”。通过大脑植入体操控计算机光标,代号为“J”的猴子打出了这句话。

 

当然,J不知道这句话来源于莎士比亚的名著,自然也不会深究哈姆雷特这句著名的独白所谓何意。J和它的同伴L(代号为“L”的另一只猴子),都在学习利用大脑内的神经植入体移动光标, 当屏幕上的圆变为绿色时就进行点击。美国斯坦福大学的研究人员会在这些靶点处放置一些字母以此来模拟打字行为。所以为了打出哈姆雷特的这句话,第一个标有“T”的圆就会变成绿色,然后是字母O”,以此类推。

 

那么做这些训练有什么实际意义呢?难道仅仅是给记者们创造一个在标题里用上“无限猴子定理”(infinite monkey theorem)的理由?该定理的内容是:如果给猴子足够的时间让它随意敲键盘,那么它几乎可以打出莎士比亚所有的戏剧著作。(尽管这段时间可能比整个宇宙的寿命都要长,但从数学原理上来讲,这件事情发生的概率并不是0

 

答案显然是否定的,生物工程师们有着更加实际的目标。通过模拟打字行为,他们发现这个由大脑控制的键盘界面能够使那些不能和别人交流的人们从中获益。其中包括处于肌萎缩脊髓侧索硬化症(ALS)晚期的病人。该病也被称为卢伽雷病,是一种不影响智力和感觉,但是随着机体的运动神经元进行性退化导致全身肌肉瘫痪的罕见病。由于疾病累及口唇、面部肌肉,造成言语困难,患者无法和他人交流。

 

这次测试创造了新的大脑控制打字的记录,即一只猴子1分钟打出12个单词。斯坦福大学神经修复植入体实验室的研究员Paul Nuyujukian表示:“据我们所知,这是迄今为止能达到的最高交流水平了”。阐明该项研究的论发表于《电气与电子工程师协会会报》(《Proceedings of the IEEE》),Nuyujukian是文章的共同作者。

 

实验方法如下:首先在猴子大脑中植入多电极阵列,位置主要在皮层中那些控制手臂运动的特定区域。当猴子在进行操控光标的训练时,一旦它们开始移动自己的手臂,这些电极就会记录其脑内相应神经元的电活动,同时摄像机也会跟随捕捉它们动作的每一个细节。通过这种方法获得海量数据后利用机器学习算法建立行为-神经元电活动模型,即将神经元电活动与猴子移动光标向左、向右、向上、向下的行为联系起来。

 

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然后,再让这些猴子独立地使用自己的大脑去完成移动光标的任务。(当然它们同样可以通过在空中晃动手臂来移动光标,但是摄像机不会记录这些动作)伴随着光标从一个目标移动到下一个目标,计算机会获取大脑在这个过程中产生的模式化的信息。(相当于系统的测试实验。)

 

此前通过大脑控制进行打字的记录是一年前由一位ALS患者所创造,即每分钟打出6个单词。该实验由另一个更庞大的研究组完成,其中包括Nuyujukian,他是脑门计划(BrainGate,一个研究大脑植入系统的项目,旨在帮助那些肢体瘫痪的患者利用大脑思维控制机械臂实现自主活动)团队的一员。与此前的研究相比最大的进步在于软件系统,此次实验动物所使用的系统是两个串联的、更加智能的算法。其中一个算法解码光标移动的动作,另一个解码猴子点击某一字母的意向。

 

Nuyujukian在接受IEEE Spectrum记者的采访中表示,该系统还有许多值得改进的地方。他谈到问题在于猴子在打字时每次都要在一个界面上选取字母,未来的控制界面希望能够借鉴智能手机。“可以想象的到,未来的智能界面自动完成单词的输入”,Nuyujukian说,“目前谷歌和苹果公司都致力于将人类不够精确的拇指输入最优化。我们可以充分利用他们的成果。”

 

这项技术的人体试验正在进行。去年的会议中研究人员现场展示了一次试验:一位患有ALS的女士,通过安卓界面利用光标控制系统进行了浏览网页和写邮件的活动。这样的人体试验目的是明确告诉人们,研究人员不是要掀起一场调侃莎士比亚猴子的笑话,而是竭力给那些瘫痪的人们带来治疗的希望,重新赋予他们表达内心想法的能力。

 

当然,研究人员也能从中获取一些乐趣。据Nuyujukian透露,在早期的一些实验中,他们会让猴子们打出一些类似于:“A banana, a banana, my kingdom for a banana!(”这样(有趣)的句子来测试输入系统,还有 “A banana by any other name would smell as sweet. 

 

撰文:Eliza Strickland

翻译:张银连

审校:方露

 

原文链接:

http://spectrum.ieee.org/the-human-os/biomedical/bionics/monkeys-type-12-words-per-minute-with-braintokeyboard-communication


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