研究人員用二戰(zhàn)時(shí)的密碼破譯技術(shù)翻譯神經(jīng)信號(hào)。

撰文 海倫·舍恩（Helen Shen）翻譯 馬驍驍

第二次世界大戰(zhàn)時(shí)，密碼學(xué)家利用密文中的語(yǔ)言模式破解了德軍的恩尼格瑪（Enigma）密碼。通過(guò)分析特定字母和詞匯出現(xiàn)的頻率和分布規(guī)律，英國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)家阿蘭·圖靈（Alan Turing）和同事找到了把密文亂碼翻譯成明文的關(guān)鍵。如今神經(jīng)科學(xué)家正試圖借用密碼學(xué)中的智慧，“破譯”編碼肢體運(yùn)動(dòng)的大腦信號(hào)。

人類的很多動(dòng)作，如行走或伸臂，遵循著可預(yù)測(cè)的模式。根據(jù)這一特點(diǎn)，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院和埃默里大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家伊娃·戴爾（Eva Dyer）受密碼學(xué)啟發(fā)，提出了一個(gè)神經(jīng)解碼策略。2017年12月，她和同事的研究結(jié)果發(fā)表在了《自然·生物醫(yī)學(xué)工程》（Nature Biomedical Engineering）雜志上。

美國(guó)芝加哥大學(xué)的神經(jīng)學(xué)家尼古拉斯·哈索普洛斯（Nicholas Hatsopoulos，未參與本項(xiàng)研究）說(shuō)，“雖然我早就聽(tīng)說(shuō)過(guò)這種方法，但這是第一批成功發(fā)表的研究之一。該研究非常新穎?！?/p>

現(xiàn)有的腦機(jī)接口——例如控制假肢的接口，通常使用“監(jiān)督式解碼器”。它們需要同時(shí)記錄神經(jīng)活動(dòng)和實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)，包括肢體位態(tài)和速度等信息，十分耗時(shí)。然后，系統(tǒng)用這些信息訓(xùn)練解碼器，使其能把神經(jīng)信號(hào)翻譯成對(duì)應(yīng)的肢體運(yùn)動(dòng)。用密碼學(xué)術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，這類似于比對(duì)大量密文和對(duì)應(yīng)的明文，逆向找到密鑰。

戴爾的團(tuán)隊(duì)沒(méi)有采用這類方案，而是試圖僅從“密文”（指神經(jīng)信號(hào)）和一些運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的模式，分析預(yù)測(cè)肢體運(yùn)動(dòng)。他們訓(xùn)練三只獼猴用手臂或手腕運(yùn)動(dòng)控制屏幕上的光標(biāo)移動(dòng)到一些目標(biāo)點(diǎn)。同時(shí)，植入到猴子大腦中的電極會(huì)記錄各自運(yùn)動(dòng)皮層中約100個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)信號(hào)。然后研究者測(cè)試了大量計(jì)算模型，看哪個(gè)能將神經(jīng)活動(dòng)的統(tǒng)計(jì)模式最準(zhǔn)確地映射為觀察到的動(dòng)物運(yùn)動(dòng)模式。

當(dāng)研究者用最優(yōu)模型解碼獼猴單次運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)活動(dòng)時(shí)，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率和一些簡(jiǎn)單的監(jiān)督式解碼器相差無(wú)幾。加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的計(jì)算神經(jīng)科學(xué)家喬納森·考（Jonathan Kao，未參與本項(xiàng)研究）評(píng)價(jià)說(shuō)，“這項(xiàng)工作非?？??！?/p>

戴爾稱自己的工作還只是概念性驗(yàn)證，并表示在把該技術(shù)投入實(shí)用之前還有很多事要做。她說(shuō)，“這種技術(shù)還無(wú)法和目前最好的解碼器競(jìng)爭(zhēng)，但我們才剛剛起步?！?/p>