脑中风18年，她的人生终于重启……科学家是怎么做到的？
▎药明康德内容团队编辑
因为中风，就像是植物人般瘫痪了18年的Ann女士怎么也没有想到，自己有朝一日还能重新“开口说话”，和身边的亲友交流……
30岁时，Ann因为脑干中风失去了控制所有肌肉的能力，最初甚至无法呼吸。在随后的5年里，她每天入睡时都担心自己会在睡梦中死去。多年的康复疗法也只让她的面部肌肉有稍许动作，能够表现出笑和哭，然而让她说话的肌肉仍然一动不动。“一夜之间我的所有都被夺走。”她事后回忆道。
在2021年，她了解到UCSF的神经病手术主任Edward Chang博士的团队正在进行的脑机接口开发项目。Chang博士的团队已经在这一领域摸爬滚打了10多年，在2021年他的团队与合作伙伴首次通过脑机接口，将一名瘫痪患者的大脑活动转变成文字。而在近期发布于《自然》的这项研究中，科学家们想要更近一步，将大脑活动转变为更为自然的语言交流，包括说话人的面部表情。“我们的目标是恢复完整、代表自己的交流方式，这是我们和其他人交谈时最自然的方式。”Chang博士说。
▲Edward Chang博士（图片来源：UCSF官网）
为了达到这个目标，研究团队将一款纸片一样薄，携带253个电极的装置植入到Ann的大脑中与语言相关的关键脑区。这些电极会接收大脑向Ann的嘴唇、舌头、下颚、喉咙和面部的信号，并通过电线传送到计算机中。
Ann会与研究团队一起，训练人工智能算法，识别她独特的大脑信号并转化为语言。这包括反复重复1024个日常用语词库中的词汇。直到计算机能够识别与语言的基本声音模块相关的大脑活动。这一AI算法将词句的发音解构成更为基本的单位，这个策略让计算机只需要学习39个发音基本单位（称为phonemes）就可以解读英文中的所有语句。
经过训练，这一系统能够以每分钟近80个字的速度解码大脑活动并将其转化为语言文字，而Ann此前使用的一个类似系统，转化速度只有每分钟14个字。
▲利用脑机接口和AI解码大脑活动并转化为语言的示意图（图片来源：参考资料[4]）
然后，研究团队设计了语音合成算法，利用Ann以前在婚礼上的讲话，合成了她自己在中风之前的语音，并且利用模拟面部肌肉运动的软件合成了Ann的数字化身。研究人员设计了定制的机器学习程序，让软件读取Ann在试图说话时的大脑活动，并将它转化为数字化身的面部运动。这可以让嘴张开或者闭上，舌头上下运动，嘴唇撅起或者紧闭，还能模拟快乐、忧伤和惊讶的面部表情。
▲Ann利用这一系统让数字化身说话的视频（视频来源：参考资料[4]）
“利用这一技术给像Ann这样的患者自由控制他们自己的计算机或者电话的能力，将对他们的独立性和社会交流产生深远的影响。”论文的共同第一作者David Moses博士说。
对于Ann来说，这项研究改变了她的人生。“成为这项研究的一部分给予了我人生的目标，我觉得我在为社会做贡献，好像我又有了一份工作。我能活这么长时间已经是令人惊讶的事，这项研究让我在活着的时候能够真正的生活！”
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参考资料：
[1] A Stroke Stole Her Ability to Speak at 30. A.I. Is Helping to Restore It Years Later. Retrieved August 25, 2023, from https://www.nytimes.com/2023/08/23/health/ai-stroke-speech-neuroscience.html
[2] Woman with paralysis speaks through an avatar 18 years after a stroke, thanks to a brain implant and AI. Retrieved August 25, 2023, from https://www.nbcnews.com/health/health-news/paralyzed-woman-speaks-through-avatar-with-brain-implants-rcna101420
[3] How Artificial Intelligence Gave a Paralyzed Woman Her Voice Back. Retrieved August 25, 2023, from https://www.ucsf.edu/news/2023/08/425986/how-artificial-intelligence-gave-paralyzed-woman-her-voice-back
[4] Metzger et al., (2023). A high-performance neuroprosthesis for speech decoding and avatar control. Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-023-06443-4
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