生命科學

解碼大腦神經訊號

借助二次大戰的解碼技巧,分析神經訊號並預測肢體動作。

撰文/沈慧芸(Helen Shen)
翻譯/陳瑀葳

生命科學

解碼大腦神經訊號

借助二次大戰的解碼技巧,分析神經訊號並預測肢體動作。

撰文/沈慧芸(Helen Shen)
翻譯/陳瑀葳


二次大戰期間,密碼學家藉由了解既有語言的模式破解德國謎碼機(Enigma)的加密訊息。英國電腦科學家涂林(Alan Turing)與同事利用特定字母和單字出現的頻率和分佈,找到把無意義文字轉譯成字句的方式。現在,科學家借助密碼學原理,把大腦的訊號轉譯成肢體動作。


許多的人體動作例如走路或伸手取物,都按照可預期的模式來進行。美國喬治亞理工學院和艾茉利大學的神經科學家戴爾(Eva Dyer)抱持這樣的想法,發展出以密碼學為基礎的一項策略來轉譯神經訊號,研究結果在去年12月發表於《自然.生醫工程》期刊。


未參與此研究的芝加哥大學神經科學家哈特索波羅斯(Nicholas Hatsopoulos)評論:「我聽過類似方式,但這是最先公開且正式發表的研究之一,極具新意。」


現有的腦機介面例如控制義肢的程式,一般使用稱為「監督式解碼」的演算法:這些程式需要分秒同時記錄神經活動和動作細節,包括肢體位置和活動速度,是極為耗時且勞心勞力的過程;藉由這些訊息,解碼器再把神經模式轉譯成對應動作。從密碼學的角度來看,這像是比對許多已破解的訊息以及原始密碼,進而以反向工程找出破解密碼的關鍵。


相反地,戴爾的團隊希望能直接利用原始密碼(也就是神經活動)以及我們對特定動作模式的了解,預測接下來會做出的動作。他們訓練三隻獼猴使用手臂或手腕,讓螢幕游標指向特定標的物,此時植入獼猴腦部運動皮質(負責操控動作的腦區)的電極記錄了100多個神經細胞的活動,接著研究人員測試數個電腦模型,找出從神經訊號中推論出對應動作的最佳模型。


研究人員利用這個最佳模型來推測獼猴在新一輪試驗中的行為,發現這個模型可預測獼猴的動作,準確度與一些基本監督式解碼演算法一樣高。未參與此項研究的加州大學洛杉磯分校計算神經科學家高(Jonathan Kao)評論:「這是很酷的結果。」


戴爾認為這是一項概念驗證的研究,在廣泛利用此項技術之前,尚有許多工作要完成,她表示:「這項技術還無法與最先進的解碼器相比,我們還有許多要學習和研究的地方。」


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