怎样确保它不偏离正轨,AI能读懂你的想法吗

日期:2020-01-27编辑作者:澳门威斯尼人网站

作者:赵熙熙 来源: 中国科学报 发布时间:2019/7/16 11:03:03 选择字号:小 中 大 新“头带”把睡眠实验室搬回家 科技重塑睡眠障碍诊断方式

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新头带通过收集脑电波数据帮助诊断睡眠障碍。图片来源:DREEM

无创脑机接口技术即将进入日常生活,我们需要确保它不偏离正轨。

患有运动神经元疾病的瘫痪病人通常依靠技术来帮助他们说话。图片来源:BJ Warnick / Alam

本报讯 你那花哨的睡眠追踪器根本比不了专业的睡眠实验室。但谁又愿意佩戴着电极在一个奇怪的病房里呆上8小时,同时有人整晚都在给你录像呢?

撰文 | 韦德·劳什(Wade Roush)

最近发布在《自然》上的一篇文章让我们了解到AI的又一个应用:将脑电波转化成语音。

如今,有几家公司表示,可能有了一个折衷方案,那就是将读取脑电波的电极与复杂人工智能结合起来的高科技睡眠监测头带。最重要的是,你在自己的床上也可以使用它。

翻译 | 赵剑琳

为了给不能说话的人提供“声音”,神经科学家利用人工智能设计出一种可以将大脑信号转换成语音的设备。之前科学家们只能通过AI来翻译单音节单词,但是最新的研究让整句翻译变成可能,因此大大提高了该技术的可用性。

并未参与头带设计的英国剑桥大学神经学家Tristan Bekinschtein表示,这项技术可以让人们更容易准确读出一个人在家中的睡眠模式。他说,一个主要的好处是它们摆脱了睡眠期间限制活动的电线,并且可以连续使用多个晚上。不过,Bekinschtein说,这项技术在广泛应用于临床研究之前还需要进行更多测试。

某些时候,一些在实验室或诊所内蛰伏了几十年的技术可能会在一夜之间发生飞跃,出现于大众消费者面前。

失去说话能力的人现阶段只能通过在屏幕上点选字母的方式来与他人沟通(已故英国物理学家Stephen Hawking通过移动面部肌肉来选择字母就是一个例子)。但是由于人们每次只能点选一个字母,这种沟通方式特别缓慢。相较于常人一分钟能说150个左右的单词,通过点选的每分钟只能“说”10个单词。

睡眠监测领域的领先设备之一是Dreem头带,它由一家总部位于法国巴黎的同名公司开发。头带由一种设计用来包裹头部的轻薄透气的布料制成,其顶部有一个独立的拱形结构。7个电极被排列在头带内部,用来与头皮接触。

以空腔磁控管为例,这种特殊真空管的雏形是通用电气公司在1920年发明的。但是直到1940年,英国科学家才发现将其改为磁控管结构就可以发出功率惊人的微波。这一发现挽救了麻省理工学院一个濒临失败的机载雷达项目,最终在欧洲战场帮助盟军扭转了战局。战争刚刚结束,雷声公司的工程师又发现微波也可以融化巧克力。于是“雷达炉”在1947年出现了,时至今日,几乎家家户户的厨房里都能找到磁控管的身影。

解决这种低效率也是神经科学家进行研究的初衷。在实验中,研究人员将电极植入5个试验者的大脑表面,然后在他们朗读文章的时候记录他们的脑电波活动情况。随后研究人员将这些记录和之前收集的实验数据进行整合,从而确定了舌头,嘴唇,下颌和喉部的运动是如何产生声音的。

该设备通过传统的睡眠实验室脑电图读数监测大脑的电活动。与睡眠实验室的研究一样,这种头带还可以通过声音记录和类似于智能手机中的微型加速度计跟踪一个人的头部运动、心率和呼吸。

下一项进入你生活的 “新兴老技术”很可能是神经接口。感谢近几十年里逐渐普及的无创设备,如脑电图和功能性磁共振成像,内科医生和神经学家不需要在你头上开洞就能检测你的大脑变化。如今,导致此类设备操作复杂、价格昂贵且难以解读的一些问题已经得到了解决,意味着脑机接口可能很快就会出现在我们身边。但这也会带来挑战,因为监测大脑活动和用微波炉做爆米花不一样,会导致数不清的隐私和伦理问题。

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内置的人工智能软件会实时分析数据,从而判断出一个人是处于快速眼动睡眠阶段,还是处于其他已知阶段,如非快速眼动睡眠阶段。

InteraXon的故事显示了事物的变化能有多么迅速。这家脑机接口公司2007年创立于加拿大多伦多,当时可靠的EEG脑波测量通常需要在受测者的头上贴上一大堆电极,但是InteraXon设计了一种可穿戴式EEG装置,只需要在前额和耳后贴上几根电极即可。配套的还有一个能为它测量到的脑波分类的软件,低频率的“阿尔法波”代表放松状态,高频率的“贝塔波”和“伽马波”代表着活跃或是专注的思维。

研究人员在参与者的头骨中植入与这些类似的电极来记录他们的大脑信号。图片来源:UCSF

Bekinschtein指出,睡眠研究通常需要训练有素的技术人员来读取、记录和分析传统的睡眠研究数据,但Dreem头带会收集数据,并将其无线传输到一部智能手机上。现在,它的售价为499美元。

这家公司的首款产品看起来荒诞不经。在2010年温哥华冬奥会期间前往安大略展馆的参观者会试用一个头带,用他们的意念就可以控制尼亚加拉瀑布或是其他安大略地标上的灯光闪烁。不久后,该公司推出了脑波控制的玩具车和一款《星球大战》游戏。“在推出了这些产品后,我们突然有了一个重大的发现,”InteraXon的联合创始人阿里尔·加腾(Ariel Garten)对我说,“虽然你可以用大脑控制设备,但这并不是很有效率。坦白说,你可以用手更高效地完成这一切。”

该研究团队利用这些数据训练了一个深度学习模型并把该模型部署到语言的解码器中:该解码器可以将大脑信号转换为预估的声道运动,并将这些运动转化成合成语音。虽然还没有发展到可以走出实验室并进行商用的阶段,但合成语音也有比较不错的效果:人平均可以理解句子中的70%的单词。

Dreem表示,该头带能够可靠地收集几乎所有与传统睡眠实验室研究相同的数据,即多导睡眠图。该公司上月在预印本服务器bioRxiv上发表文章称,它同时还能很好地追踪一个人的各个睡眠阶段。

但是在2014年,该公司推出了缪斯头带,现在已经发展到了第二代:它有一个配套的智能手机应用,可以帮助用户进行冥想。当软件检测到代表着思维涣散的脑电波时,佩戴者的耳中就会收到玻璃破碎声或雷声。这些声音能够促使佩戴者专注于自己的呼吸。“这就好像是在健身房训练,”加腾说,“你会对自己说,‘好吧,我要专注于这些肌肉,让它们变得更加强劲’。”

这一实验也引起的学术届的激烈讨论。比如来自西雅图华盛顿大学的脑神经工程师Amy Orsborn提出了如果人们只是思考而没有嘴部移动,是否解码器就无法生成语言了呢?来自伊利诺伊州芝加哥西北大学的神经学家Marc Sl​​utzky对该研究表示称赞,但也提出研究仍有进步的空间。

多导睡眠图在过去的50年里没有改变。Dreem科学主任、该项目首席科学家Pierrick Arnal说,我们试图用一些人性化的东西建立一种监测的方法。

不过,利用EEG数据来诊断睡眠紊乱或是癫痫是一回事,监测成千上万的健康用户的大脑状态完全是另一回事。加腾为此成立了可靠脑波技术中心,主要任务是避免隐私泄露、夸大宣传或其他问题,以避免影响到正处于萌芽期的神经接口产业。“我们的目标是设置一套标准,来保证每个人数据都时刻处于安全状态,并且让这项技术得到正确使用,”加腾说。

如今,许多大学实验室正在使用Dreem头带研究成瘾和创伤后应激障碍。当实验参与者出现诸如噩梦、睡眠呼吸暂停和失眠等睡眠障碍症状时,该设备便会监测他们的脑电波。

玛丽·卢·杰普森(Mary Lou Jepsen)是加腾的同道中人。她是一名硅谷的硬件工程师,最近创立了Openwater。这家初创公司制造了形如滑雪帽的设备,可以通过透颅红外线来监测血液的流动。某个脑区的血液流动情况,是体现它活跃程度的标志之一。杰普森认为,这项技术可以作为fMRI的一种低成本替代品,用来诊断脑损伤或神经退行性疾病。但或许有一天,她说,这也可以用来读取人们的思维。这对于失能者可能是一项福音,但同时也是一场隐私的噩梦。“我相信思维读取的场景还遥遥无期,但是我之所以早早提到它,是因为它可能在伦理和法律层面产生深远影响,”杰普森说,“只有在我们找出衡量其可靠性的方法之后,才可以在这一领域更进一步。”

世界各地的睡眠研究实验室也使用了类似设备,比如由总部位于荷兰阿姆斯特丹的飞利浦公司开发的SmartSleep。

与其他技术一样,面向消费者的脑机接口看起来很可能在最终成熟之前就开始进入我们的生活。目前,我们最好还是谨慎地将其用于医疗领域。

Bekinschtein在他的意识研究中一直使用Dreem头带。他说,这个设备很有用,因为参与研究的人比在传统睡眠实验室里更舒服,而且可以在多个夜晚进行观察,从而得到更好的数据。

不过Bekinschtein说,这种头带收集的信息并不是多导睡眠图的替代品,而是一种收集补充数据以帮助诊断睡眠障碍的方法。他还表示,这种头带并没有记录睡眠障碍的某些方面,比如腿部运动或梦游。

Bekinschtein预测,随着技术的进步,睡眠实验室将越来越多地使用这类设备。他说:随着这些系统的不断完善,我们有希望以科学家需要的方式来回答这些问题。

在实验室中使用新的睡眠监测仪器的美国西雅图华盛顿大学神经学家、睡眠专家Nathaniel Watson说:最终,我对即将推出的所有这些产品都感到很兴奋。它们真的提高了我们对人类睡眠的理解。

相关论文信息:

《中国科学报》 (2019-07-16 第2版 国际)

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