心灵感应信息可远程传递,美学者精准解析人类

作者: 亚洲彩票官网  发布:2019-09-22

科学家借助互联网,位于印度的一名志愿者使用脑电波向8000公里之外的法国志愿者的脑中成功传递了一条简单信息。这一试验从原理上验证了人类“脑对脑”直接交流的可行性。

    美国趣味科学网站9月5日报道称,在一个听起来更像是科幻片的实验里,两个大脑仅通过数字设备连接,就能相互发送问候。
    5日出版的《科学公共图书馆综合卷》杂志上刊登了一篇最新研究文章,称研究人员使用了一种非侵入性的方式,将一个身在印度、心中默念“你好”和“再见”的人的脑活动记录下来,进行解码并发送到法国,再由接收端的机器将词汇转化成大脑刺激信号输送给另一个人,接收人所感知到的信号是一束束闪光。据悉,位于法国的接收者从闪光中成功解读了信号内容。
    研究目的在于弄清两人之间是否能通过将一方的脑活动内容注入另一方脑中来进行沟通。
    研究论文合著者、贝丝·伊斯雷尔女执事医疗中心的神经病学家、哈佛大学医学院教授阿尔瓦罗·帕斯夸尔-莱昂内说:“我们究竟能否进行这样的实验,即无需通过说话或打字,让身处异地的两个人的大脑直接进行沟通呢?”
    帕斯夸尔-莱昂内及其在西班牙和法国斯特拉斯堡的同事一道,利用多个被广泛使用的脑技术对这一问题做出了解答。
    脑电图,又称EEG,即在头皮上放置电极来记录大脑皮层大部分区域的放电情况。之前有研究曾成功将人做动作的意图(例如想要移动手臂等)通过脑电图记录下来,再用电脑将之转化为输出信号,用以移动机械骨骼或驾驶轮椅。
    此类研究中还经常用到一种刺激大脑的方法———经颅磁刺激(TMS)技术,该技术通过对头皮施加微电流来刺激大脑,以激发大脑特定区域的神经元。例如,TMS能够让人的肌肉抖动,或是看到闪光。
    而在当下这项研究中,研究人员将EEG和TMS这两种技术融合起来。他们招募了四个健康的志愿者来进行大脑发信实验。将其中一人(信息发送者)连接到以EEG为基础的脑-机界面上,其他三人(信息接收者)则接收以TMS形式发来的信息,并把他们肉眼看到的闪光译成词汇。
    利用这一系统,印度的信息发送者向位于8000公里外的法国接收者发送了“Hola”(西班牙语“嗨”)和“Ciao”(意大利语“嗨”和“再见”)。
    在第二个实验中,志愿者分别位于西班牙和法国。这组大脑信息传递的总错误率为15%左右,且错误多出在解码而非编码上。
    研究结果显示,不通过语言和文字,从一个人到另一个人进行思维传输是可行的。帕斯夸尔-莱昂内说:“我们相信,这些实验是向探索以语言和肢体为基础的传统交流方式之外的其他可能方式所迈出的第一步。”
    此前,科学家已成功向世人展示,通过在不同个体的大脑间建立连接,而让一个人用自己的想法来移动他人的手指。也有实验让老鼠或猴子建立脑连接。不过大多数专家表示,这项技术目前仍处于初级阶段。  

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有4名28岁至50岁的健康志愿者参与了试验。其中位于印度的一名志愿者头戴无线连接互联网的脑电图仪,脑中想象一个简单的问候语,如“你好”或“再见”,电脑就会把这句问候语转译成二进制语言,然后通过电子邮件发送。

霍金在NASA做讲座。(图源:NASA.org)

位于法国的接收端仪器则通过电刺激方式把信息传递至3名志愿者脑中。尽管这些志愿者没有听到也没有看见这些问候语,但他们都能正确回答所收到的问候信息。

撰文 | 计永胜

研究人员又在法国和西班牙两地之间做了类似试验,结果总出错率只有15%,其中一小部分是由于发送端解码错误,其余是由于接收端解码错误。

责编 | 叶水送

参与研究的哈佛大学医学院神经学教授阿尔瓦罗·帕斯夸尔-莱昂在一份声明中说:“两个人能否通过读取其中一人的脑活动,然后注入另一人脑中的方式进行直接交流呢?我们运用现有通信手段远距离进行了试验……结果表明,答案是肯定的。”这是探索“脑对脑”交流可行性的“重要第一步”。

语言是人类最基本的交流方式。遗憾的是,世界上有很多人并不能正常地进行语言表达,如神经功能失调(Neurological Disorder)患者最严重的后果之一就是语言能力丧失。

他们实现了两个人脑之间的远程行为控制,即通过互联网利用极为类似的技术发送其中一人脑中的简单“想法”,实现对另一人大脑及手部动作的瞬间控制。不过,他们的成果当时并未经过同行评议,也未在科学期刊上发表。

据世界卫生组织统计,全球60岁及以上人群约有20%受精神神经失调的困扰 1]。让语言功能丧失者发声是科学家一直追求的目标。

过去15年中,“脑对脑”直接交流技术已有较大进展,但通常都是人脑与电脑交流,主要用脑电波来控制机器人或轮椅。

借助特殊仪器设备可弥补一些人的语言能力缺失。最熟悉的例子就是霍金的轮椅。霍金因患有肌肉萎缩性侧索硬化症而失去语言表达能力,只能通过选择轮椅显示器上的单词拼成句子,经由语音合成器发出声音来传达自己的观点。

但这类设备最主要的问题就是过程繁琐,说话太慢,远不及正常人的交流速度。那么,能否将人的脑部活动直接转换为声音信息呢?

答案是可以的。脑-机接口技术(brain-computer interface,BCI)可获取人大脑的电波信号。2014年,美国西北大学Marc W. Slutzky 团队通过该技术同时记录人的发音信号和脑电波信号,将美式英语中的音素(Phoneme,区分单词的最小语音单位)与脑电波做了一一对应 2]。

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脑电波与音素的对应研究。

但言语表达不只是一个简单的声波传递过程,更需要人精确地控制气流以及多个发声器官的完美配合。

2018年,加州大学旧金山分校神经外科学系教授 Edward F. Chang 的研究团队记录了人说话时的脑部信号和声道不同部位(舌头、嘴唇、下颚和喉部)的动作,并对二者进行了对应,获得了一系列发音运动轨迹(Articulatory Kinematic Trajectories,AKTs)数据 3]。

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Edward F. Chang 团队关于脑信号和发音动作的研究。(图源:Chang Lab, UCSF)

那么,能否再进一步把脑活动、声道动作变化和语言进行整合,将脑电波解码为语音信息呢?

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可将神经活动转码为语言的人工语音合成系统。

最近,Chang的研究团队开发了一套“两步法”人工语音合成系统,可将大脑神经活动解码合成为言语声音。相关研究于2019年4月25日发表于《自然》杂志 4]。

所谓“两步法”,就是科研人员首先将受试者的脑部活动转录为发声动作信息,然后将发声动作信息解码为声音信息进行语言合成。

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“两步法”将脑信号解码为声音信号。

研究具体是怎么进行的呢?科研人员请参与研究的五名志愿者大声地朗读几百个句子,同时记录下他们大脑皮层的活动信号。随后,研究人员将大脑活动信号转码为发声部位(舌头、嘴唇、下颌和喉部)的动作变化信号。最后,科研人员将动作变化信号进一步解码为声音信号传出。

研究发现,解码声音与原声音的声谱特征具有很高的相似性。科研人员还对合成语音的清晰度进行了检测。结果显示,听者在聆听101段合成语音后,能比较轻松准确的辨识其中的单词和句子。同时,与将神经信号直接一步转码为语音相比,“两步法”解码系统对语音内容的保真度更高,这种优势随着转码语音时间的延长而更加明显。

随后研究人员请一名志愿者朗读了58个句子,结束后紧接着对原句进行了默读,只有动作,没有声音。有趣的是,“两步法”解码系统合成的默读声谱与合成的朗读声谱特征相似。

虽然默读的整体语音合成效果逊色于有声阅读,但论文作者认为“两步法”系统可以对无声言语的重要特征进行解码。换句话说,“两步法”解码系统可以识别发声者的唇语,做到“你张张嘴,我就知道你要说什么”。

同期《自然》杂志还刊发了埃默里大学教授 Chethan Pandarinath 和佐治亚理工学院教授Yahia Ali关于该论文的新闻与观点文章。他们表示,Chang 的团队“两步法”解码系统从语音合成精确度和听众辨识度两方面对脑电波解码为语言的概念进行了有力的验证,但“如果语言环境比较复杂的话,直接合成语音的效果可能会和‘两步法’平分秋色,甚至优于‘两步法’”,而且当前合成语言的清晰度与正常对话差距还是比较大,脑-机接口技术实际应用于临床仍面临很多挑战。

两位评论者最后指出,“随着不断努力,我们希望有语言障碍的人能重新获得自由表达想法的能力,与周围的世界重新链接”。

主要参考文献:

1] Mental health of older adults, .

2] Emily M. Mugler, James L. Patton, Robert D. Flint. et al, Direct classification of all American English phonemes using signals from functional speech motor cortex. J Neural Eng. 2014 June; 11:035015. doi:10.1088/1741-2560/11/3/035015.

3] Chartier, J., Anumanchipalli, G. K., Johnson, K. & Chang, E. F. Encoding of articulatory kinematic trajectories in human speech sensorimotor cortex. Neuron98, 1042–1054 .

4] Anumanchipalli, G. K., Chartier, J. & Chang, E. F. Speech synthesis from neural decoding of spoken sentences. Nature 568, 493–498 .

制版编辑 | 皮皮鱼

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