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脑机接口最早、最普及的应用:重构听力障碍者的有声世界
2024/04/26

脑机接口(BCI)技术作为一种前沿的神经工程技术,正以前所未有的方式革新着人类与外部环境的交互方式。对于听障人士而言,脑机接口技术为他们带来了重获听力的希望,一改他们此前无声世界的生活体验。


脑机接口技术通过读取大脑电信号,经信号提取、降噪强化等预处理、模式识别等步骤,将其解读编码转化为可被计算机识别的语言,进而控制外部设备,并将结果反馈给神经系统,实现大脑与外部设备的直接通信闭环。在助听领域,BCI主要通过两种途径帮助聋人重新获得听力:


一种被称为“人工耳蜗”的植入设备,是最早开发并成功应用的脑机接口技术之一,可以为患有严重感音神经性耳聋且传统助听器无效的人提供人工听觉。人工耳蜗通过电极阵列直接刺激听觉神经纤维,将电信号转化为神经脉冲,从而绕过受损的耳蜗结构,让大脑接收到声音信息。


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传统人工耳蜗已取得显著成效,但受限于电极阵列的分辨率和编码策略,高频音质和空间定位能力仍有待提升。近期研究中,科研团队开发出更精细的多通道电极阵列、优化的刺激模式以及自适应编码策略,力求更精准模拟自然听觉信号,提高言语理解度和音乐欣赏能力。


近年来,科研人员正在探索利用非侵入式BCI技术,如脑电图(EEG),捕捉听觉皮层对声音的响应或意图,然后通过算法解码这些信号,再通过无线传输技术将解码后的音频信息传递给外部设备(如耳机或植入式设备),实现在大脑层面的“听力重建”。


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2019年,美国哥伦比亚大学的研究人员通过收集人类大脑听觉皮质区的神经活动,利用深度学习和语音合成算法,重构出了受试者的听觉刺激,从诱发神经活动的群体中,找到听觉刺激的最佳近似值,是一种逆向的映射技术。这项研究将从人类听觉皮质区记录的神经反应中重构原始的语言刺激,实现了初步的“脑语音”解码。尽管目前仍处于实验室阶段,但这一突破性进展预示了非侵入式脑机接口在帮助聋哑人群沟通交流上的巨大潜力。


无论是人工耳蜗还是非侵入式BCI系统,都需要根据个体的听觉神经结构、大脑反应特性和生活环境进行个性化调整。通过BCI技术,可以实时监测用户对不同声音刺激的神经反馈,动态优化设备参数,确保最佳听觉效果。同时,配套的康复训练软件能引导听障人士逐步适应新的听觉体验,提升语言理解和社交沟通能力。


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此外,BCI技术能够集成先进的噪声抑制算法,自动识别并过滤背景噪声,确保在复杂声学环境中清晰听到目标声音。此外,通过分析大脑对环境声源的注意力分布,有望实现智能化的声音源定位与聚焦,进一步提升听障人士在日常生活、工作和学习中的听力体验。


对于重度或全聋人士,BCI技术可与语音转文字、手语识别等辅助沟通技术无缝集成,实时将他人的话语转化为文字显示在眼镜、手机屏幕等设备上,或者将用户的思维“语音”转化为文字或语音输出,拓宽交流渠道,降低沟通障碍。 


尽管脑机接口技术在助听领域的应用展现出令人振奋的前景,不过要真正实现大规模应用,还需克服诸多挑战,包括提高信号采集的稳定性和解析精度、减少计算延迟、优化设备微型化与生物兼容性、制定相应的伦理法规等。


此外,高昂的初期设备成本和长期维护费用也是影响技术普及的重要因素,需要政府、科研机构、企业和慈善组织共同努力,推动技术研发、降低成本、完善服务体系,确保所有有需求的听障人士都能受益于这项变革性技术。