官方网站-首页

【导语】一名45岁男子在患上肌萎缩侧索硬化症后失去清晰说话能力，但通过一种创新的脑机接口（BCI）装置，他能够富有表现力地说话和歌唱。该装置能将他的神经活动实时转化为自然流畅的语音，包括语调变化和强调单词，甚至能以3个音调哼唱音符。这项发表于《自然》杂志的研究成(chéng)果(guǒ)标(biāo)志(zhì)着(zhe)BCI技(jì)术(shù)的(de)重(zhòng)大(dà)突(tū)破(pò)，为(wèi)失(shī)去(qù)语(yǔ)言(yán)能(néng)力(lì)的(de)患(huàn)者(zhě)带(dài)来(lái)了(le)全新(xīn)的(de)沟(gōu)通(tōng)希(xī)望(wàng)。

一(yī)名患(huàn)有(yǒu)严(yán)重(zhòng)语(yǔ)言(yán)障(zhàng)碍(ài)的(de)男(nán)子(zi)，借(jiè)助(zhù)大(dà)脑(nǎo)植(zhí)入(rù)装(zhuāng)置(zhì)，能(néng)够(gòu)富(fù)有(yǒu)表(biǎo)现(xiàn)力(lì)地(de)说(shuō)话(huà)和(hé)歌(gē)唱(chàng)。该(gāi)装(zhuāng)置(zhì)可(kě)以(yǐ)将(jiāng)他(tā)的(de)神(shén)经(jīng)活(huó)动(dòng)转(zhuǎn)化(huà)为(wèi)话(huà)语(yǔ)，不(bù)仅(jǐn)能(néng)实(shí)现(xiàn)语(yǔ)调(diào)变(biàn)化(huà)，强(qiáng)调(diào)他(tā)选(xuǎn)择(zé)的(de)单(dān)词，还(hái)能(néng)让(ràng)他(tā)以(yǐ)3个(gè)音(yīn)调(diào)哼(hēng)唱(chàng)一(yī)串(chuàn)音符。

该系统被称为脑机接口（BCI），使用人工智能解码参与者说话时的脑电活动。该装置是第一个不仅能(néng)再(zài)现(xiàn)一(yī)个(gè)人(rén)的(de)意(yì)图(tú)，还(hái)能(néng)复(fù)制(zhì)自(zì)然(rán)语(yǔ)言(yán)特(tè)征(zhēng)的(de)BCI。而(ér)音(yīn)调(diào)、音(yīn)高(gāo)、重(zhòng)音(yīn)等(děng)自(zì)然(rán)语(yǔ)言(yán)特(tè)征(zhēng)有(yǒu)助(zhù)于(yú)表(biǎo)达(dá)意(yì)思(sī)和(hé)情(qíng)感(gǎn)。

在(zài)一(yī)项(xiàng)研(yán)究(jiū)中(zhōng)，一(yī)种(zhǒng)模(mó)仿(fǎng)参(cān)与(yǔ)者(zhě)声(shēng)音的合成声音，在他的神经活动发出说话意图信号的10毫秒内就说出了他的话。这项6月11日发表于《自然》的研究成果标志着对早期BCI的重大改进。早期BCI通常在3秒内输出语音，或者仅在用户模拟完整个句子后才能生成语音。

植入运动皮层的电极有助于记录和语言相关的大脑活动。图片来源：Kateryna Kon

“这是语音BCI领域的圣杯。”荷兰马斯特里赫特大学的Christian Herff说，“这是真实、自发(fā)、连(lián)续(xù)的(de)讲(jiǎng)话(huà)。”

这(zhè)项(xiàng)研(yán)究(jiū)的(de)参(cān)与(yǔ)者(zhě)是(shì)一(yī)名45岁(suì)男(nán)子(zi)，在(zài)患(huàn)上(shàng)一(yī)种(zhǒng)运(yùn)动(dòng)神(shén)经(jīng)元(yuán)疾(jí)病(bìng)——肌(jī)萎(wēi)缩(suō)侧(cè)索(suǒ)硬(yìng)化(huà)症(zhèng)后(hòu)，失(shī)去(qù)了(le)清(qīng)晰(xī)说(shuō)话(huà)的(de)能(néng)力(lì)。这(zhè)种(zhǒng)疾(jí)病(bìng)会(huì)损(sǔn)害(hài)控(kòng)制(zhì)肌(jī)肉(ròu)运(yùn)动(dòng)的(de)神(shén)经(jīng)，包括说话所需的神经。虽然他还能发音和说话，但说得很慢，也不清楚。

在症状出现5年后，这名男子接受了手术，在控制运动的大脑区域插入256个硅电极，每个长1.5毫米。论文作者之一、美国加利福尼亚大学戴维斯分校的Maitreyee Wairagkar和同事训练了深度学习算法，能够每10毫秒捕捉一次大脑中的信号。团队的系统实时解码了该男子试图发出的声音，而不是他想要表达的具体词语或基本音素——构成单词的语音亚单位。

“我们并不总是用语言表达想法。我们还有感叹词，以及一些词汇表里没有的富有表现力的发音。为了实现这一点，我们采用了这种完全不受限制的方法。”Wairagkar解释说。

该团队还通过训练人工智能算法，根据病人生病前的采访录音，将合成声(shēng)音(yīn)个(gè)性(xìng)化(huà)，使(shǐ)其(qí)听(tīng)起(qǐ)来(lái)像(xiàng)病(bìng)人(rén)自(zì)己(jǐ)的(de)声(shēng)音(yīn)。

研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)要(yào)求(qiú)参(cān)与(yǔ)者(zhě)尝(cháng)试(shì)发(fā)出(chū)“啊(a)”“哦(ó)”“嗯(ń)”之(zhī)类(lèi)的(de)感(gǎn)叹(tàn)词，并(bìng)说(shuō)出(chū)虚(xū)构(gòu)的(de)单(dān)词。BCI成(chéng)功(gōng)产(chǎn)生(shēng)了(le)这(zhè)些(xiē)声(shēng)音(yīn)，表(biǎo)明(míng)它(tā)可(kě)以(yǐ)在(zài)不(bù)需(xū)要(yào)固(gù)定(dìng)词汇(huì)的(de)情(qíng)况(kuàng)下(xià)生(shēng)成(chéng)语(yǔ)音(yīn)。

使(shǐ)用(yòng)这(zhè)款(kuǎn)BCI，这(zhè)名男(nán)子(zi)可(kě)以(yǐ)拼(pīn)写(xiě)单(dān)词、回(huí)答(dá)开(kāi)放(fàng)式(shì)问(wèn)题(tí)，并(bìng)使(shǐ)用(yòng)解(jiě)码(mǎ)器(qì)训(xun)练(liàn)数(shù)据库之外的一些单词说出想说的话。他告诉研究人员，听到合(hé)成(chéng)声音说话让他“感到高兴”，感觉就像他的“真实声音”。

在其他实验中，BCI能够识别出参与者是想把一个句子说成疑问句还(hái)是(shì)陈(chén)述(shù)句。该装置还能判断他在一句话中想强调哪些词语，并相应调整合成声音的语调。“我们正在引入人类语言中所有这些重要的元素。”Wairagkar说，以前的BCI只能产生单调的语音。

瑞士日内瓦大学的Silvia Marchesotti说，该装置的功能“对于患者的日常使用至关重要”。“从某种意义上说，这是一种范式转变，可以真正带来一种现实生活中的工具。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09127-3

（原标题为《脑机接口首次让患者有感情地说话唱歌，可实时将思想转化为语言》）