近日，一項(xiàng)發(fā)表于《自然》（Nature）期刊的突破性研究顯示，加州大學(xué)戴維斯分校的研究人員開(kāi)發(fā)出一種全新的腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface，簡(jiǎn)稱BCI），可以將人類大腦的神經(jīng)活動(dòng)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音，幫助因神經(jīng)系統(tǒng)疾病而失語(yǔ)的患者“重新開(kāi)口說(shuō)話”。

這項(xiàng)技術(shù)在一位患有肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）的試驗(yàn)參與者身上進(jìn)行了驗(yàn)證。他通過(guò)該系統(tǒng)能夠在與家人交流時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語(yǔ)音輸出，不僅可以正常“說(shuō)話”，還能夠自主調(diào)節(jié)語(yǔ)調(diào)、甚至嘗試哼唱簡(jiǎn)短旋律。

“過(guò)去我們的腦機(jī)接口技術(shù)是把大腦信號(hào)翻譯成文字，相當(dāng)于‘發(fā)短信’。盡管相比傳統(tǒng)輔助工具已是巨大進(jìn)步，但交流還是存在延遲?！闭撐牡耐ㄓ嵶髡摺⒓又荽髮W(xué)戴維斯分校神經(jīng)外科助理教授Sergey Stavisky表示，“而這項(xiàng)新技術(shù)則更像是一通‘語(yǔ)音電話’，實(shí)現(xiàn)了幾乎即時(shí)的語(yǔ)音合成?！?/p>

聲音的“數(shù)字化聲道”

研究人員為試驗(yàn)參與者植入了四塊微電極陣列，位置在控制語(yǔ)言表達(dá)的大腦區(qū)域。這些電極實(shí)時(shí)記錄大腦神經(jīng)元的活動(dòng)，并將信號(hào)發(fā)送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行解碼和語(yǔ)音合成。

“實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語(yǔ)音合成的一大難點(diǎn)在于，系統(tǒng)需要精準(zhǔn)判斷患者在‘何時(shí)’以及‘如何’嘗試說(shuō)話?！?論文第一作者、UC Davis神經(jīng)假體實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家Maitreyee Wairagkar解釋道，“我們的算法能夠?qū)⑻囟〞r(shí)刻的神經(jīng)信號(hào)對(duì)應(yīng)到特定語(yǔ)音，從而捕捉語(yǔ)言節(jié)奏和語(yǔ)調(diào)變化。”

該系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間僅為1/40秒，與人類正常說(shuō)話時(shí)聽(tīng)見(jiàn)自己聲音的時(shí)間延遲幾乎一致。這種極低延遲意味著患者可以主動(dòng)參與對(duì)話、打斷別人，或者用語(yǔ)音強(qiáng)調(diào)某些內(nèi)容，從而大大提升了交流的自然性和流暢度。

不只是說(shuō)話，還能唱歌

這名參與者還能通過(guò)BCI系統(tǒng)說(shuō)出系統(tǒng)未曾預(yù)設(shè)的新詞語(yǔ)，并在說(shuō)話時(shí)進(jìn)行情感表達(dá)，例如升調(diào)以表達(dá)疑問(wèn)、強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵詞等。他還嘗試了哼唱簡(jiǎn)單旋律，表現(xiàn)出初步的音高控制能力。

實(shí)驗(yàn)中，BCI合成語(yǔ)音的識(shí)別度也令人鼓舞。聽(tīng)眾能夠正確識(shí)別約60%的合成詞匯，而在不使用BCI的情況下，這一識(shí)別率僅為4%。

算法與人工智能是關(guān)鍵

該系統(tǒng)的語(yǔ)音合成功能依賴于人工智能算法的深度學(xué)習(xí)能力。訓(xùn)練算法時(shí)，研究人員要求參與者默讀屏幕上顯示的句子，同時(shí)記錄其大腦神經(jīng)元的放電模式，并將這些模式與目標(biāo)語(yǔ)音進(jìn)行匹配。這使得系統(tǒng)逐漸“學(xué)會(huì)”如何從神經(jīng)信號(hào)中重建語(yǔ)音。

邁向臨床應(yīng)用的新希望

“聲音是我們身份的一部分。對(duì)神經(jīng)疾病患者來(lái)說(shuō)，失語(yǔ)是一種毀滅性的打擊?！?加州大學(xué)戴維斯分校神經(jīng)外科助理教授、試驗(yàn)主刀醫(yī)師David Brandman表示，“這項(xiàng)研究讓我們看到失語(yǔ)者通過(guò)BCI重新‘開(kāi)口說(shuō)話’的可能，這種技術(shù)有潛力徹底改變癱瘓患者的生活。”

目前，該項(xiàng)技術(shù)仍處于臨床研究早期階段。研究?jī)H在一位ALS患者身上完成，下一步，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃擴(kuò)大參與者范圍，包括因中風(fēng)等其他原因?qū)е率дZ(yǔ)的患者，以驗(yàn)證技術(shù)的普適性和穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：Maitreyee Wairagkar, An instantaneous voice-synthesis neuroprosthesis,?Nature?(2025).?DOI: 10.1038/s41586-025-09127-3.?www.nature.com/articles/s41586-025-09127-3

編輯：周敏

排版：李麗