“即插即用”的大腦假體：無(wú)需大量的日常培訓(xùn)即可工作

2020-09-09 09:39

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科學(xué)家在癱瘓者身上展示了首個(gè)“即插即用”的大腦假體

科學(xué)家們已經(jīng)完成了有史以來(lái)首次演示，該演示是由癱瘓者控制的“即插即用”的大腦假體。

該系統(tǒng)使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)幫助個(gè)人僅用大腦控制計(jì)算機(jī)界面。與大多數(shù)腦機(jī)接口（BCI）不同，該AI無(wú)需大量的日常培訓(xùn)即可工作。

這項(xiàng)研究的資深作者Karunesh Ganguly，加州大學(xué)舊金山分校神經(jīng)病學(xué)系副教授，在一項(xiàng)聲明中描述了這一突破：

近年來(lái)，BCI領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是由于必須每天對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行重置和重新校準(zhǔn)，因此它們無(wú)法利用大腦的自然學(xué)習(xí)過(guò)程。這就像要求某人從頭開(kāi)始反復(fù)學(xué)習(xí)騎自行車(chē)。適應(yīng)人工學(xué)習(xí)系統(tǒng)以使其能夠與大腦復(fù)雜的長(zhǎng)期學(xué)習(xí)模式平滑配合，這在癱瘓者中從未有過(guò)。

該系統(tǒng)使用大小約為便簽紙的皮質(zhì)腦電圖（ECoG）陣列。該陣列直接放置在大腦表面上，在此處監(jiān)視來(lái)自大腦皮層的電活動(dòng)。

科學(xué)家在癱瘓者身上展示了首個(gè)“即插即用”的大腦假體

研究人員聲稱(chēng)該系統(tǒng)可以長(zhǎng)期，穩(wěn)定地記錄神經(jīng)活動(dòng)。相對(duì)于由穿透大腦組織的尖銳電極組成的BCI而言，這具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈儠?huì)隨著時(shí)間的流逝而改變或丟失信號(hào)。

該團(tuán)隊(duì)在一個(gè)四肢癱瘓的人身上測(cè)試了該系統(tǒng)，并用它來(lái)控制屏幕上的計(jì)算機(jī)光標(biāo)。首先，他們要求用戶在觀看光標(biāo)移動(dòng)時(shí)想象自己的脖子和手腕運(yùn)動(dòng)。這導(dǎo)致算法逐漸進(jìn)行自我更新，因此可以使光標(biāo)的移動(dòng)與大腦活動(dòng)相匹配。

但是，此耗時(shí)的過(guò)程限制了用戶的控制。因此研究人員嘗試了另一種方法：允許算法無(wú)需每天重置即可繼續(xù)更新。

Ganguly說(shuō)，這導(dǎo)致了系統(tǒng)性能的不斷改進(jìn)：

我們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)確保算法的更新速度不超過(guò)大腦的更新速度，可以每10秒一次，從而進(jìn)一步改善學(xué)習(xí)。我們認(rèn)為這是試圖在大腦和計(jì)算機(jī)這兩個(gè)學(xué)習(xí)系統(tǒng)之間建立伙伴關(guān)系，最終使人工界面成為用戶的延伸，就像他們自己的手或手臂一樣。

科學(xué)家在癱瘓者身上展示了首個(gè)“即插即用”的大腦假體

隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，用戶的大腦開(kāi)始放大移動(dòng)光標(biāo)的神經(jīng)活動(dòng)的模式。最終，他們開(kāi)發(fā)了根深蒂固的心理“模型”來(lái)控制界面。研究人員隨后關(guān)閉了算法的更新，因此參與者無(wú)需每天進(jìn)行調(diào)整即可使用該系統(tǒng)。

當(dāng)系統(tǒng)在未經(jīng)培訓(xùn)或日常練習(xí)的情況下將其性能保持44天時(shí)，研究人員開(kāi)始向BCI添加其他功能，例如“單擊”虛擬按鈕，而不會(huì)降低性能。

Ganguly現(xiàn)在希望在更復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)（包括假肢）中使用ECoG記錄。

他說(shuō)：“可以說(shuō)，我們一直都在設(shè)計(jì)一種技術(shù)，這種技術(shù)不能最終出現(xiàn)在抽屜里，但是實(shí)際上可以改善癱瘓患者的日常生活。” “這些數(shù)據(jù)表明，基于ECoG的BCI可能是這種技術(shù)的基礎(chǔ)。”