研究资讯｜脑机接口与“脑写字符”

小香猪

（ChinaIT.com讯）在社交媒体和网络时代，文字交流对残疾人的生活质量变得至关重要。颅内脑机接口（BCI）是大脑和外部设备之间的一种直接交互通路，可用于研究、绘制、帮助、增强或修复人类的认知或感觉-运动功能。闭环脑机接口系统的架构如图1所示。

1. 神经脑科学：
人类视觉的功能脑区位于大脑的枕叶和颞叶。这种从后到前的处理途径分为腹侧和背侧途径，腹侧途径负责静态视觉任务，如物体识别，背侧途径负责与空间位置有关的动态视觉任务。位于背侧通路颞部的V5/MT区被认为负责处理有关视觉物体的运动信息，该区的神经细胞的活动对视觉刺激的速度和方向有选择性的偏好。

BCI可以促进严重神经肌肉疾病患者的文字交流和环境控制，尽管有创BCI的成功示范和临床试验，但仍缺乏微创解决方案，BCI可协助严重残疾人士进行高精度和高速度的文字交流和环境控制。语音脑机接口的一个核心难题是神经信息的解码和翻译，脑电信号噪声大，人脑编码语音语言的机制复杂未知，这都是背后的障碍。引入了人工智能机器语言翻译中常用的神经网络之后，脑机接口研究领域彻底打开了一条应对这一挑战的新路径。
2. 脑机接口系统的分类：
根据所使用的信号的不同，脑机接口系统可分为：
无创BCI，即无创BCI：主要使用头皮EEG。无创BCI使用EEG帽，易于佩戴，不需要手术，适合普通消费者，但其空间分辨率差（电极间距离大，无法确定信号来源），不能有效利用高频信号，使用前需要很长的校准期。
侵入性BCI：电极直接植入大脑灰质，可修复患者的视觉、听觉、触觉和感觉运动功能等，但手术有风险，电极的寿命一般不超过5年。
半侵入性BCI：主要使用皮质EEG脑电图，将电极置于颅骨下的大脑皮层表面，比非侵入性BCI的信号分辨率更高，手术风险比侵入性BCI低。
可持续的BCI植入隶属于侵入性。植入策略之一是采用局部和强大的皮质活动来驱动BCI通信，并进行精确的术前规划。视觉运动反应是纳入该策略的良好候选者，因为它在中颞部视觉区（MT）活动。

视运动诱发电位有一个固定的潜伏期，其反应幅度受注意力的调节。因此，通过区分注意力和非注意力情况下视运动诱发电位波形的不同，研究人员可以确定受试者注意力的 "焦点"，从而解读病人的 "想法"。
3. “脑写字符”应用：
2021年中旬斯坦福大学、布朗大学、哈佛医学院等团队的研究人员联合完成题为“High-performance brain-to-text communication via handwriting”的研究，发布在了顶级顶级学术期刊《自然》（Nature）。研究参与者想象书写一个字母或符号时，他脑中的传感器可以感知到电活动的模式并转化为书写痕迹。研究团队用了一种被称为数据增强的方法解决了训练数据少的问题。在这种方法中，参与者先前产生的神经活动模式被用来产生句子，在这些句子上训练RNN网络。他们还通过在神经活动模式中引入人为的变化来扩展他们的训练数据，以模仿人类大脑中自然发生的变化。
通过该BCI模式，该团队的研究对象（其手因脊髓损伤而瘫痪）实现了每分钟90个字符的打字速度，在线原始准确率为94.1%，使用通用自动更正的准确率超过99%。
目前，已经有很多公司进入到BCI的研发领域，这是一种多学科交叉的新兴技术 ,它涉及神经科学、机器学习、信号检测、信号处理 、模式识别等多种学科领域，一些公司还展示了可用于人体试验的低带宽无线系统，包括一些完全植入的系统。希望有更多的企业和研究人员能够使用高带宽无线系统为未来的系统提高科学和临床能力。


来源：http://www.yidianzixun.com/article/0lZSH0Hh
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