編譯 | 金碧輝

編輯 | 程茜

6月16日消息，據(jù)外媒New Atlas 6月14日?qǐng)?bào)道，美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校（UC Davis）研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)世界首例新型腦機(jī)接口（BCI）系統(tǒng)，首次讓一名ALS患者（肌萎縮側(cè)索硬化癥，俗稱漸凍癥）通過腦內(nèi)植入設(shè)備，不僅實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)說話，還能“演唱”簡(jiǎn)單旋律，從信號(hào)采集到語音生成的全流程僅需10毫秒。

這里的“演唱”是指患者并非通過傳統(tǒng)聲帶發(fā)聲，而是通過BCI系統(tǒng)將神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電子合成音，輸出三個(gè)預(yù)設(shè)音高的旋律片段。這種“演唱”本質(zhì)是系統(tǒng)對(duì)患者神經(jīng)意圖的解析與語音合成，有別于自然歌唱行為。

新研發(fā)的BCI系統(tǒng)通過手術(shù)植入的四組微電極陣列，捕捉大腦負(fù)責(zé)語言輸出區(qū)域的神經(jīng)信號(hào)，結(jié)合低延遲處理與AI解碼模型，將患者試圖說話時(shí)的肌肉控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為語音，并通過語音克隆算法還原其患病前的聲音特征。

從信號(hào)采集到語音生成的全流程僅需10毫秒，加州大學(xué)戴維斯分校研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的新型BCI系統(tǒng)使患者能自然參與對(duì)話，甚至打斷他人發(fā)言，這是傳統(tǒng)BCI系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)的交互體驗(yàn)。

▲BCI設(shè)置和使用語音合成技術(shù)的研究參與者

相關(guān)研究成果6月11日發(fā)表于學(xué)術(shù)頂刊Nature上，美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校研究團(tuán)隊(duì)最新研發(fā)的BCI系統(tǒng)被學(xué)界稱為“Speech BCI領(lǐng)域的圣杯”。

▲美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)BCI系統(tǒng)的相關(guān)成果發(fā)表于學(xué)術(shù)頂刊Nature上

一、神經(jīng)信號(hào)捕捉與低延遲處理雙突破，漸凍癥患者說話“零卡頓”

據(jù)外媒New Atlas 6月14日?qǐng)?bào)道，戴維斯分校研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的新型BCI系統(tǒng)的核心在于通過植入大腦運(yùn)動(dòng)皮層的微電極陣列，直接獲取患者試圖說話時(shí)的神經(jīng)活動(dòng)信號(hào)。

不同于“讀心術(shù)”，新型BCI系統(tǒng)的原理是翻譯患者大腦控制發(fā)音肌肉的指令，而非讀取抽象思維。AI驅(qū)動(dòng)的解碼模型經(jīng)過訓(xùn)練，能實(shí)時(shí)將神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為文本，再通過語音合成器輸出。

▲研究參與者閱讀屏幕文本的神經(jīng)信號(hào)有助于訓(xùn)練AI解碼器模型

二、從“屏幕選詞”到“自發(fā)插話”，新型BCI系統(tǒng)讓“說話”更像真人

據(jù)外媒New Atlas報(bào)道，今年4月，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校與舊金山分校曾公布類似BCI技術(shù)，但美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的BCI系統(tǒng)在自然表達(dá)維度實(shí)現(xiàn)突破。

在前沿交互能力的展現(xiàn)上，加州大學(xué)戴維斯分校研發(fā)的BCI系統(tǒng)不僅能捕捉患者發(fā)音時(shí)的“啊”、“哦”、“嗯”等語氣詞，還可借助神經(jīng)信號(hào)解析陳述句與疑問句句調(diào)差異，甚至能對(duì)單詞重音位置進(jìn)行識(shí)別。

據(jù)外媒報(bào)道，從加州大學(xué)戴維斯分校研究團(tuán)隊(duì)的系統(tǒng)演示視頻透露，患者可通過設(shè)備輸出三個(gè)預(yù)設(shè)音高的旋律片段，其AI解碼器突破傳統(tǒng)訓(xùn)練數(shù)據(jù)限制，成功處理生造詞匯的語音合成。

相較于過往BCI系統(tǒng)僅能輸出預(yù)設(shè)文本，加州大學(xué)戴維斯分校研究團(tuán)隊(duì)技術(shù)在自然語言情感表達(dá)與語義靈活性上實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)提升。

三、腦機(jī)接口克隆患者原聲實(shí)現(xiàn)連續(xù)對(duì)話，漸凍癥患者率先受益

加州大學(xué)戴維斯分校研發(fā)的BCI系統(tǒng)的一大亮點(diǎn)是通過患者患病前的語音樣本訓(xùn)練克隆算法實(shí)現(xiàn)個(gè)性化語音合成。

該論文的作者、神經(jīng)科學(xué)家謝爾蓋·斯塔維斯基（Sergey Stavisky）在論文發(fā)表同期接受多家外媒采訪時(shí)透露：“即時(shí)語音合成技術(shù)能讓患者更自然地融入對(duì)話，減少因傳統(tǒng)BCI系統(tǒng)延遲導(dǎo)致的交流中斷。”

荷蘭馬斯特里赫特大學(xué)的計(jì)算神經(jīng)科學(xué)家克里斯蒂安·赫夫（Christian Herff）在學(xué)術(shù)頂刊Nature同期評(píng)論中評(píng)價(jià)道：“這是真正的自發(fā)連續(xù)語音，BCI終于從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)實(shí)溝通。”

目前加州大學(xué)戴維斯分校的研究雖僅涉及1名ALS患者，但團(tuán)隊(duì)已計(jì)劃招募更多因中風(fēng)、腦損傷等不同病因?qū)е率дZ的患者，以驗(yàn)證技術(shù)的普適性。

在外媒看來，這一成果標(biāo)志著BCI從“文字輸出”向“自然語音交互”的跨越，為全球千萬癱瘓患者帶來更具尊嚴(yán)的溝通方式。

結(jié)語：腦機(jī)接口技術(shù)突破背后，BCI設(shè)備成本與普及性成挑戰(zhàn)

加州大學(xué)戴維斯分校的研究突破可能為全球約30萬漸凍癥患者及其他神經(jīng)退行性疾病患者帶來希望。或許未來，漸凍癥患者能像常人一樣打斷對(duì)話、用語氣表達(dá)情緒，但技術(shù)落地仍需跨越多重關(guān)卡。單病例研究的局限性、不同患者大腦信號(hào)的個(gè)體差異、長(zhǎng)期植入的安全性，以及AI模型對(duì)復(fù)雜語境的適應(yīng)性，均需后續(xù)研究驗(yàn)證。

此外，BCI設(shè)備的成本與普及性也是現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。當(dāng)這項(xiàng)技術(shù)從頂尖實(shí)驗(yàn)室走向臨床，或許還需要5到10年的迭代。然而，從伯克利分校的屏幕選詞到美國(guó)加州團(tuán)隊(duì)的實(shí)時(shí)歌唱，腦機(jī)接口正以肉眼可見的速度突破邊界。正如赫夫所言：“這不是概念，而是真實(shí)的、自發(fā)的語言重生。”

Nature、New Atlas