“Mindwriting”技术可以帮助瘫痪病人使用大脑活动来编写

你怎么帮的人不能沟通吗?这是一个挑战,神经科学家一再试图解决与几个巧妙的创新。

一个研究显示追踪眼球运动可以让瘫痪的用户写。其他人记录语音模式和将他们变成文本。有些人甚至直接从大脑本身采样信息,要么使用非侵入性的脑电图设备或者通过将电极插入用户的允许他们的头控制光标的运动,像使用智能电视的遥控器按下屏幕上的虚拟键。所有这些设备都取得了一定程度的成功,但面临两大障碍:它们是缓慢和他们经常占据用户的眼睛,减少他们的适应性。

两倍的速度

一个研究来自斯坦福大学的研究人员已经产生了可能是最成功的解决方案。它通过阅读一个瘫痪的用户考虑的思想手写信件和大脑活动转换为屏幕上的文本。方法可以,有一天,让瘫痪的人迅速类型,仅仅通过思考写作,作者说。

杰米亨德森斯坦福大学神经外科教授,医学博士,共同研究,在大学新闻发布会上说,“这种方法允许一个人瘫痪组成句子的速度几乎与同龄的那些身体健全的成年人在智能手机上打字。”

该研究发表在自然翻了一倍,写作速度通过其他侵入性和非侵入性脑通信技术,达到每分钟90个字。

当事故或脊髓损伤删除一个人移动身体的能力,伴随这些运动的大脑活动不受影响。先进的neuroprosthetics使用这一原则允许截肢者机械与控制他们的思想。但是是否精细运动技能,例如书法,也同样保存完好的还不清楚。

为了验证这一点,团队与匿名参与者,名叫T5在这项研究中,65岁高龄,脊髓损伤后颈部以下瘫痪十多年以前。T5另一项试验的一部分,被称为BrainGate2,他一双脑机接口(BCI)芯片植入他的运动皮层,大脑的一部分控制运动,亨德森。

mindwriting的魔力

在最近的研究中,T5被要求考虑的笔迹,想象他手里拿着一支笔,一张纸。当他的手保持不动,他的大脑活动了。通过练习“mindwriting”26个字符的英文字母,在波浪号(~)和(>)分别代表句号和空间,T5的记录大脑活动被用来训练算法。T5解码大脑活动,活动的评估方面,大多数明确mindwriting一个“a”从“p”,例如。T5花了几个小时复制预先写好的句子没有资本,如“我倾倒农舍里的工具”使用mindwriting。T5 mindwrote一封信之后,它会出现在屏幕上略低于第二个。

经过三天的培训,T5了242句英语,所有用作进一步训练数据的算法,这是校准的每个五个后续测试的日子。在那些日子里,T5面对前所未有的句子复制。在这些测试中,T5平均每分钟90个字符(约18个字)。虽然他性格错误率为5.4%,当增加了语言模型(有效的BCI版智能手机的自动更正功能),这个速度降低到0.89%。这些数字匹配最好的最先进的语音识别系统的性能。

“虽然笔迹可以每分钟20个单词,我们倾向于说每分钟约125字,这是另一个激动人心的方向补充笔迹。如果结合,这些系统可以一起为患者有效沟通提供更多的选择,”合著者和斯坦福大学电气工程教授评论说Krishna Shenoy该研究的领头人之一。

T5时给予机会mindwrite开放式问题的答案出现在屏幕上,他平均每分钟73.8字,自动更正出错率仅为2.25%。这个速度增长了近两倍其他入侵BCI系统的性能。

在获得这些结果的同时,作者设定的最后一个任务——工作为什么书法比控制光标移动快得多。光标控制系统的速度限制是由于所使用的算法的准确性。想象你设置你的电脑鼠标5次正常的敏感性,然后试图用一个类型的屏幕键盘,最终分解精度,限制了可用的速度。研究人员得出的结论是,mindwriting所产生的神经活动持续时间的变化比生成的活动沿着直线移动光标。与我们预期相反,记录复杂、精细运动实际上可能比阅读简单的机构更容易。研究人员甚至产生了“BCI-friendly”字母,最小化离散字符之间的相似之处。

这项研究是另一个巨大的BCI技术。在自然,一个配对新闻与观点文章称之为“里程碑扩大地平线”的研究领域。技术先进的即使是在相对较短的时间(以科学计算)之间T5的受伤和他的入学率在当前的研究中。在研究一个问题问T5写的建议他会给了年轻时的自己。他想写他的回答后,算法分析和响应,发布“耐心点,一切都会好起来的”。

参考:

业务,威利•FR, Avansino DT、LR、亨德森JM,谢诺千伏。高性能brain-to-text沟通通过笔迹。自然,18岁。doi:10.1038 / s41586 - 021 - 03506 - 2