使用植入到清醒患者顳葉中的電極，科學(xué)家已經(jīng)以接近感知的速度解碼了大腦信號。此外，對患者對兩類視覺刺激的神經(jīng)反應(yīng)進(jìn)行分析-面部和房屋的圖像-使科學(xué)家能夠隨后以高于95%的準(zhǔn)確度來預(yù)測患者正在查看哪些圖像以及何時觀察。

這項(xiàng)研究發(fā)表在《PLOS計(jì)算生物學(xué)》上。

華盛頓大學(xué)計(jì)算神經(jīng)科學(xué)家Rajesh Rao和UW Medicine神經(jīng)外科醫(yī)生Jeff Ojemann，與他們的學(xué)生Kai Miller一起，與南加州和紐約的同事一起進(jìn)行了這項(xiàng)研究。

“我們試圖首先了解人腦如何感知顳葉中的物體，其次，人們?nèi)绾问褂糜?jì)算機(jī)來提取和預(yù)測某人實(shí)時看到的東西?” 饒解釋。他是威斯康星大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系的教授，并且他領(lǐng)導(dǎo)著總部位于威斯康星州的美國國家科學(xué)基金會傳感器電機(jī)工程中心。

他說：“在臨床上，您可以將我們的研究結(jié)果視為為癱瘓或中風(fēng)并完全鎖定的患者建立溝通機(jī)制的概念證明。”

這項(xiàng)研究涉及在西雅圖Harborview醫(yī)療中心接受治療的7名癲癇患者。Ojemann說，每個人都患有癲癇性癲癇發(fā)作，不能通過藥物緩解，因此，每個人都接受了外科手術(shù)，其中臨時植入了大腦的顳葉，植入了約一個星期的時間，以試圖找到癲癇發(fā)作的焦點(diǎn)。

“無論如何，他們都會得到電極;奧杰曼說：“我們只是給他們在住院期間要做的其他任務(wù)，否則他們只是在等待。”

顳葉處理感覺輸入，并且是癲癇發(fā)作的常見部位。他說，肺葉也位于哺乳動物的眼睛和耳朵的后面，也與阿爾茨海默氏癥和癡呆癥有關(guān)，看起來比其他大腦結(jié)構(gòu)更容易遭受頭部創(chuàng)傷。

在實(shí)驗(yàn)中，將來自多個顳葉位置的電極連接到功能強(qiáng)大的計(jì)算軟件，該軟件提取了大腦信號的兩個特征：“事件相關(guān)電位”和“寬帶頻譜變化”。

Rao認(rèn)為前者很可能是由于“在首次顯示圖像時會激活數(shù)十萬個神經(jīng)元”，而后者則是“在最初的信息浪潮之后繼續(xù)處理”。

在觀看計(jì)算機(jī)監(jiān)視器的過程中，向受試者顯示了隨機(jī)的圖像序列–短暫(400毫秒)的人臉和房屋圖像閃爍，并散布著空白的灰色屏幕。他們的任務(wù)是觀察倒置房屋的圖像。

“我們從不同的(電極)位置得到了不同的響應(yīng);有些人對面孔敏感，有些人對房屋敏感，”饒說。

該計(jì)算軟件每秒對大腦信號進(jìn)行采樣和數(shù)字化處理1000次，以提取其特征。該軟件還分析了數(shù)據(jù)，以確定電極位置和信號類型的哪種組合與每個對象實(shí)際看到的內(nèi)容最相關(guān)。

這樣就產(chǎn)生了高度預(yù)測性的信息。

通過針對受試者對(已知)前三分之二圖像的響應(yīng)訓(xùn)練算法，研究人員可以檢查代表圖像最后三分之一的大腦信號(其標(biāo)簽未知)，并以96%的準(zhǔn)確度進(jìn)行預(yù)測受試者是否以及何時(在20毫秒內(nèi))看到房屋，面部或灰屏。

僅當(dāng)將與事件相關(guān)的潛力和寬帶變化結(jié)合在一起進(jìn)行預(yù)測時，才可以達(dá)到這種準(zhǔn)確性，這表明它們具有互補(bǔ)的信息。

“傳統(tǒng)上，科學(xué)家們只研究單個神經(jīng)元，”饒說。“我們的研究在非常大的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)層次上提供了一個更全局的圖景，一個清醒并注意的人如何感知一個復(fù)雜的視覺對象。”

他說，科學(xué)家的技術(shù)是大腦作圖的墊腳石，因?yàn)樗梢杂糜趯?shí)時識別大腦的哪些位置對特定類型的信息敏感。

該研究的主要作者是斯坦福大學(xué)神經(jīng)外科住院醫(yī)師和物理學(xué)家凱·米勒(Kai Miller)，他獲得了醫(yī)學(xué)博士學(xué)位和博士學(xué)位。在UW。其他合作者是斯坦福大學(xué)神經(jīng)科學(xué)博士后研究員多拉·赫爾墨斯(Dora Hermes)，以及紐約沃茲沃思學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家Gerwin Schalk。

“我們開發(fā)的計(jì)算工具可以應(yīng)用于運(yùn)動功能研究，癲癇研究，記憶研究。奧杰曼說：“應(yīng)用于生物學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)是學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。”

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