科學也可以如此靠近

腦機結合新成果!研究人員能提前預測一隻鳥要唱什麼歌


2017年10月28日06時 今日科學 36氪
36氪

腦機結合一直是科學界一個非常超前的概念。儘管前段時間南非金山大學的研究人員宣布他們首次實現了人腦與網際網路的實時連接,但是由於用來解碼大腦神經元信息的技術目前還很有限,我們對於自己的大腦活動依舊知之甚少。

斯坦福工程學教授Krishna Shenoy將我們對大腦的認識與十五世紀初的世界地圖做比較。世界著名神經生物學家Jeff Lichtman則認為,假設人類需要知道的關於大腦的一切是一英里路的話,我們現在只走了約三英寸。

圖片來源: Tim Urban/WaitButWhy

儘管人類對於大腦活動的認知才剛剛開始,但也有不少收穫。最近,來自加州大學聖地亞哥分校(UCSD)的研究人員就拿「會唱歌」的斑馬雀試了試,結果發現他們創建的「大腦—鳥鳴」腦機接口通過檢測斑馬雀的腦部活動可以在大約30毫秒之前知道它要「唱什麼歌」。

「我們直接從斑馬雀的神經活動中解碼出了它的叫聲,研究鳥鳴聲的阿根廷專家Ezequiel Arneodo將我們的系統稱為『從複雜的神經活動中解碼自然界語音通信』的第一個原型。類似的方法未來同樣可以應用到人類思想的傳遞上。」 研究人員在他們的論文中寫道。

科學家稱,他們可以直接從斑馬雀的大腦活動中預測它要唱的歌。

圖片來源:MIT technologyreview

這裡有兩段音頻,一個是研究人員捕捉到的斑馬雀真實的叫聲(音頻1),一個是通過分析斑馬雀大腦里神經活動的記錄預測出來的聲音(音頻2)。

音頻1、2

研究人員使用矽電極來測量斑馬雀大腦內的感覺運動神經元的電活動(感覺運動神經元就是發出鳴叫指令的部位)。他們把神經元放電模式和斑馬雀實際的鳴叫聲輸入一款神經網絡模型中,該軟體會記錄鳥鳴聲的開始、結束以及頻率的變化等信息,之後進行深度學習,並完成 「神經—鳥鳴聲的頻譜映射」。

簡單一點來理解就是研究人員可以通過他們的神經網絡模型預測斑馬雀的鳴叫聲,這也就意味著他們已經可以解碼斑馬雀發聲時的大腦活動信息了。而可以捕獲大腦的輸出——記錄神經元所說的話,就能預測生物體的行為;能夠預測行為,我們就能恢復生物體受損的運動功能,比如利用人腦控制感應器來支配ALS患者的假肢活動。

斑雀的腦部不大,但是它的鳴叫與人類的很像,不僅叫聲複雜,而且就像人類的語言一樣,它們也是通過後天訓練掌握鳴叫技巧的。這使得斑雀成為研究驅動發聲學習的行為、神經及遺傳機制模型的科學家們的最愛。

之前做過基於猴子叫聲的腦機結合實驗的美國國立衛生研究院研究員Makoto Fukushima表示,鳥類的鳴叫聲範圍更廣,了解「基本神經單元如何組合創造複雜的歌曲」這件事對人類言語行為的研究來說意義重大。

就目前的研究現狀來看,在人體中嘗試的腦機結合實驗比較局限,主要是跟蹤手臂運動的神經信號。而那些通過戴個頭盔或者在腦部植入微型晶片就能毫不費力地明白大腦想說的話的設想,到現在為止還只是個遙遠的夢。

不過加州大學的新研究顯示,這些設想也並非不可能實現。研究人員已經可以直接解碼鳥類發聲這種極為複雜的神經活動信息了,下一步利用解碼的神經信號來推斷生物體的運動甚至言語行為也就變得容易了。

Gentner和他的團隊希望他們的研究能夠幫助實現這些設想。「我們已經通過動物模型為複雜的人類語言解碼設計出了一個可參考的腦機接口模型,希望未來可以應用到生物醫學領域的研究。」

而對人類社會來說,腦機結合的確是一個雄心勃勃的追求,除了大學的實驗室,不少矽谷的大公司也加入了開發腦機結合技術的行列。

矽谷的CEO中,想法最大膽的就是那個想上火星的男人——伊隆·馬斯克(他同時是美國太空探索技術公司SpaceX和電動車及能源公司特斯拉的CEO)。今年4月,馬斯克宣布成立一家名為Neuralink的腦機接口公司,並稱超級人工智慧必將實現,屆時為了不受威脅,人類只有一種選擇,那就是成為AI(大腦與計算機融合,我們成為半機器人)。

Facebook的執行長馬克·扎克伯格隨後也在公開場合表示,「腦機接口」最終將讓人們直接通過大腦傳送自己的想法。Facebook目前大約有60名工程師正在做這個方向的研究。

Lain Banks 在其科幻小說《文明》系列中提出了「神經織網」(neural lace)的概念,即一個無縫、穩定、可以直接與大腦通信的全腦接口,或許有一天它將會變成現實。


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