腦機介面最新研究:失語癱瘓者每分鐘「說」出近30字元,平均錯誤率僅8.23%
腦機介面最新研究:失語癱瘓者每分鐘「說」出近30字元,平均錯誤率僅8.23%
2022.11.15 | AI與大數據

只要一個人的大腦神經活動還在,科學家們就有可能幫助失語癱瘓患者(由於嚴重聲帶和肢體癱瘓而交流受限)恢復應該有的交流能力。

腦機介面被寄予厚望,是近年來神經科學中最前沿的研究領域之一。在一項最新研究中,來自美國加州大學舊金山分校的科研團隊設計了一個神經假體,這種神經假體可以將腦活動轉譯為單個字母,實時拼出完整句子,展示在一名失語癱瘓患者面前。

據介紹,由該神經假體能構成的拼寫系統能夠以每分鐘 29.4 個字元的速度生成句子,平均字元錯誤率僅為 6.13%,且可以推廣到包含 9000 多個詞的詞匯表中。

相關研究論文以“Generalizable spelling using a speech neuroprosthesis in an individual with severe limb and vocal paralysis”為題,已於今日發表在科學期刊 Nature Communications 上。 神經外科醫生、加州大學舊金山分校神經外科和生理學副教授 Edward Chang 為該論文的通訊作者。

這一研究成果凸顯了無聲控制的語言神經假體通過基於拼讀的方法生成句子的巨大潛力。

曾讓癱瘓15年男子恢復「說話」能力

理論上,透過在人(或動物)與外部設備之間建立信息傳輸通路,並利用人工智慧等技術構建映射關系,就可以將人(或動物)的意識顯示在機器上。

此前,來自斯坦福大學的科研團隊就成功開發出一套腦機介面系統,該系統利用大腦運動皮層的神經活動可解碼「手寫」筆跡,並使用循環神經網路(RNN)將筆跡實時翻譯成文本,成功呈現在電腦屏幕上。

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圖/ 36Kr

同樣,早在去年 7 月,Chang 團隊就曾首次使用腦機介面幫助一位癱瘓超過 15 年的失語男子 BRAVO1 恢復了「說話」的能力。

據瞭解,BRAVO1 在 20 歲時因嚴重的腦乾中風癱瘓並失語,只有頭、脖子和四肢能進行極為有限的活動,但其大腦的認知功能完好無損。

他們為 BRAVO1 開發了一個包含 50 個單詞的系統,該系統每分鐘可以解碼 15.2 個單詞,準確率中值為 75%。

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圖/ 36Kr

在獨立單詞任務中,BRAVO1 先會看到 50 個常用單詞中的一個。當屏幕上的單詞變成綠色時,BRAVO1 便開始用意念「說」出這個單詞,進而讓電極記錄下他的神經活動。據論文描述,研究團隊共計進行了 9000 次單詞任務,有效數據時長為 22 個小時。

然而,這一系統受限於特定詞匯表,參與者必須嘗試大聲說出這些詞,這對於失語癱瘓的患者來說,是一項非常困難的任務。

在此次工作中,研究團隊通過設計其系統解碼與音標字母相關的腦活動,將此前的方法拓展到了更大的詞匯量,並提高了拼寫速度和準確性。

「會說話」的神經假體

神經假體是一種可以替代缺失的神經系統功能的設備,有望為因失語癱瘓而無法說話或打字的患者恢復交流能力。

然而,人們尚不清楚是否可以通過無聲地嘗試說話來控制交流神經假體。

在測試中,在參與者嘗試無聲地說出每個字母發音時,新系統能夠解碼參與者的腦活動,整個拼寫過程如下圖所示。

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工作示意圖
圖/ 36Kr

在句子拼寫試驗開始時,參與者試圖默念一個單詞來主動激活拼寫器(圖 a),在整個任務過程中,新系統從電極記錄的皮層數據中實時提取神經特徵(高伽馬活動和低頻信號),麥克風信號表明在執行任務期間沒有聲音輸出(圖 b)。

據論文描述,語音檢測模型由 RNN 和閾值計算構成,通過處理神經特徵來檢測無聲語音嘗試,一旦檢測到,拼寫過程就會開始(圖 c)。

在拼寫過程中,參與者在每 2.5 秒發生一次的字母解碼周期中拼寫想要表達的信息,在每個周期內,都會看到一個倒計時,最後看到一個代表“開始”的提示,然後試圖默念出代表所需字母的代碼字(圖 d);在整個拼寫過程中計算所有電極通道的高伽馬活動和低頻信號,並將其分成 2.5 秒的非重疊時間視窗(圖 e)。

隨後,基於 RNN 的字母分類模型會處理每一個神經時間窗,預測參與者試圖默念 26 個可能的代碼字或者試圖執行一個手動命令的概率,如果預測手動命令的概率達到了 80% 以上,則拼寫過程結束,否則預測的字母概率繼續由波束搜索演算法進行實時處理,並將最有可能的句子顯示給參與者(圖 f)。

最後,當參與者拼出想要表達的信息後,可以通過握緊右手來結束拼寫過程,最後完成整個句子(圖 g),與手動指令相關的神經時間窗會被傳遞給分類模型(圖 h),如果分類模型收到了參與者的手動命令,基於神經網路的語言模型(DistilGPT-2)就會對有效句子重新評分,評分後最有可能的句子被用作最終的預測(圖 i)。

測試結果顯示,參與者從一個1152 個單詞的詞匯表裡,能夠以每分鐘 29.4 個字元的速度生成句子,平均字元錯誤率僅為 6.13%。

在進一步的實驗中,研究團隊發現,這一方法可以推廣到包含9000多個單詞的詞匯表中,平均錯誤率也只有8.23%。

以上研究結果表明,基於拼讀方法利用語音編碼詞匯生成句子的無聲控制語言神經假體具有相當大的應用潛力。

未來,研究團隊還需要繼續研究該方法是否能在更多患者中達到同樣或者更好的效果。

本文授權轉載自:36Kr

責任編輯:何汶、林美欣

關鍵字: #演算法
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硬體新創如何打國際盃?邁特Demo Day揭出海關鍵:技術是門票,信任才是護照
硬體新創如何打國際盃?邁特Demo Day揭出海關鍵:技術是門票,信任才是護照

第十屆邁特創新加速計畫Demo Day在2025 Meet Taipei盛大登場。今年邁特以「邁國際」為活動主軸,邀請加拿大、新加坡、日本和台灣的專家,除了探討全球市場的開拓,也期望運用邁特創新基地,建立具磁性的網絡(Magnetic Net),持續吸引硬體創新團隊與專家,建構蓬勃發展的全球硬體生態系。

中華民國全國創新創業總會秘書長謝戎峰在致詞時直指,台灣市場量體小,硬體新創要走到小量試產非常不容易,過往台積電就是為輝達做到開源、加速整合的角色,「邁特也在系統面扮演同樣角色,從打樣、試樣到小量試產,提供新創全方位協助。」

從矽島進化新創島,「國際化」是關鍵指標

事實上,邁特創新基地自2016年創立以來,便致力成為硬體創新領域的加速器,期望提供「從0到100的解決方案」,並打通「硬體創新的最後一哩路」。邁特創新基地執行長戴憶帆指出,台灣被譽為半導體、電子製造服務強國,在全球產業鏈中具核心地位。如今,台灣正在善用「矽島」具備的卓越製造、供應鏈能力,聚焦創新研發,成為讓硬科技落地、加速商業應用的「新創島」,「其中,『國際化』絕對是衡量新創團隊能否快速成長、取得成功的最重要指標。」

邁特創新基地
加拿大駐台北貿易辦事處副處長拓喬丹特別蒞臨分享,期待與更多台灣新創攜手合作。
圖/ 數位時代

目前,邁特已幫助來自全球逾13個國家、超過150家的新創公司向外擴展。而為了具體展現協助台灣硬體新創出海、邁國際的決心,本屆Demo Day特別邀請來自跨國創投的專家,一同探討全球市場的開拓。

加拿大駐台北貿易辦事處副處長拓喬丹(Jorden Turley)首先指出,邁特的國際協同合作理念,與加拿大不謀而合,「加拿大視台灣為亞太戰略中,不可或缺的重要夥伴,我們彼此間不是競爭而是合作。」例如台灣在硬體製造、實作方面有優勢,加拿大則在設計方面表現出色,多邊合作有助於企業分散風險,並加速打入第三市場。

講好故事、建立信任感,打破技術迷思

跨界對談開場前,主持人邁特創新基地顧問柯旂,也先回應「邁國際」不只是今年的主題,更是台灣硬體創新的必然道路。本屆 Demo Day 不僅邀請到加拿大駐台單位、日本京都大學創投、新加坡創新生態圈代表,更有台灣創新總會秘書長、台經院等重要嘉賓蒞臨,一同見證台灣硬體新創與全球鏈結的關鍵時刻。跨界對談更邀請包含:日本京都大學創投(Kyoto University Innovation Capital)亞太區業務發展經理Raymond Woo,以及德國馬牌集團(Continental)旗下創投部門的合作與創投管理總監邱殷樂,為新創提供具體出海建議。

戴憶帆強調,「國際化」已是台灣新創現今最重要的課題,而新加坡、日本會是台灣進軍國際的首選前哨站。新加坡作為東南亞地區的中心,許多國際團隊選擇在當地募資、上市櫃,介接資源方便;日本則與台灣的文化、理念相近,相當重視「信任」、夥伴關係,加上在東京、京都等頂尖大學裡,有最前沿的技術,對需要發展應用、商業化成長的新創來說,是值得尋求技術互補的合作對象。

邁特創新基地
跨界對談由左至右分別為主持人邁特創新基地顧問柯旂、邁特創新基地執行長戴憶帆、日本京都大學創投(Kyoto University Innovation Capital)亞太區業務發展經理Raymond Woo,以及德國馬牌集團(Continental)旗下創投部門的合作與創投管理總監邱殷樂,與現場與會者進行交流。
圖/ 數位時代

邱殷樂直指,台灣新創的技術極佳、很有實力,甚至勝過美國、以色列的公司,「最大的問題,是不會講述自己的故事,以及不清楚如何對接正確的人和事。」他建議,新創在展開跨國合作之前,必須先確定在台灣的根基已穩,同時了解自家的技術優勢,以便說服投資人和潛在客戶;在和大集團、大客戶合作時,也要找到能推動技術使用的關鍵人物或團隊。

Raymond Woo觀察,技術背景出生的創辦人,經常會犯下只看技術、看不到大局的盲點,加上創業是相當依賴人脈的事業,「新創必須學習用技術來解決特定商業問題,並與合作夥伴建立最重要的『信任』,否則技術再好、再先進,也無法順利擴展、被妥善應用。」

硬體新創精銳盡出,智慧農業、智慧醫療、綠色創新吸睛

精彩的對談後,緊接著輪到參與第十屆邁特創新加速器計畫,涵蓋智慧農業、智慧健康、智慧製造與綠色創新等硬體領域的六組新創團隊,一一登台Pitch,並由邱殷樂、Raymond Woo、日本村田製造所新規事業推進部部長東端和亮、邁特創新基地日本代表顧問上野峻基和華碩電腦協理Sean Lai等業界先進擔任評審。

首先登場的台灣百應生物科技,是運用AI、電腦視覺技術,實現家禽養殖的自主監控,完全無需人工干預,準確度已可達98.5%。擴核生醫科技則打造一款模組化、可程式化的實驗室自動化平台,能將整合液體處理、細胞培養、影像擷取和資料分析等流程集於一體,加速生技與藥物開發的研發、驗證流程。雨傘不滴的綠色創新專利產品「傘不滴」,是透過物理擠壓與高科技吸水部件,讓雨傘四秒內便完全不滴水,取代一次性塑膠套,解決公共場所地滑和環保痛點。恆帝斯智能科技是結合ESG輔導與碳IoT設備,自主開發韌體,解決聯網不穩、斷電導致的數據品質等問題,助力企業邁向淨零轉型。領動智慧科技的空中手寫輸入技術,鎖定的是下一代殺手級產品「智慧眼鏡」,透過高精度動態感測,為智慧眼鏡提供直覺、隱私友善的文字輸入解決方案。超術感醫學科技研發的AR顯微手術模擬訓練系統,則利用真實手術器械,提供精確控制回饋與AI動作分析,解決傳統訓練器械缺乏的「手感」問題,能被應用在眼科、神經外科等高精密的手術訓練。

最終大獎,分別由台灣百應生物科技、擴核生醫科技和超術感醫學科技抱走。東端和亮直言,透過此次Pitch,一方面看到台灣在軟硬整合的實力,更令人激賞的是,「團隊在營利之外,還致力解決社會問題,創造美好世界。」

邁特創新基地
日本村田製造所新規事業推進部部長東端和亮特別代表評審團致詞,除了欣賞台灣新創軟硬整合的實力,更發現團隊在營利之外,還致力解決社會問題,創造美好世界。
圖/ 數位時代

從在地驗證到鏈結全球,助新創在國際市場站穩腳跟

團隊對於自家產品、服務的用心,正是邁特極力提倡的核心價值,也是台灣新創通往世界舞台的基石。邁特創新加速計畫的運作模式,便如同硬體創新領域的國際嚮導,持續為新創團隊提供在地技術驗證和商業基礎訓練,並將新創的產品對接到國外大廠、國際創投。未來,台灣新創若能持續深化國際化、與多元夥伴合作,並具備正確的敘事能力和出海戰略,必能加速向外擴展,在全球市場中站穩腳跟。

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