脑机接口“读心”玩游戏 耶鲁团队用意念操控虚拟角色

在随后的三次实验中，研究团队搭建了一个闭环体系，每两秒采集一次新的脑扫描数据，并急速将这些信息转换为虚拟角色的移动指令。 介入者仅依附“设法主意”来测验测验控制游戏，每次实验对应一种映射方法。 成果显示，当脑机接口遵守大年夜脑天然流形时，受试者平日在不到一小时内就能学会相对闇练地操控角色，有些人甚至明显更快；而在“流形外扰动”前提下，在同样时长内几乎无人能真正控制控制。

更广泛来看，这种办法也有望被用于晋升健康人群的认知才能。 经由过程环绕大年夜脑天然组织构造来设计练习筹划，人们或许可以或许更高效地进修新技能、优化留意力与记忆表示。 正如Busch所言，人类在教导、练习与治疗上投入了大年夜量资本，欲望成为“更好的本身”，而真正懂得自身大年夜脑的构造，可能是大年夜幅进步这一过程效力的关键。

这项研究采取功能性磁共振成像（fMRI）对受试者的大年夜脑活动进行及时监测，并将这些旌旗灯号转换为游戏指令。 研究成果近日揭橥在《天然·神经科学》（Nature Neuroscience）期刊上。 团队发明，当脑机接口的设计贴合大年夜脑既有的神经通路和活动模式时，用户能明显更快地学会用“意念”控制体系，而大年夜脑本身的活动也会随之进行适应性重组。

论文第一作者、刚在耶鲁完成博士学业的Erica Busch指出，大年夜脑活动并非混乱无章，而是沿着既定的“神经流形”（neural manifold）运作。 当脑机接口适应这种天然构造时，进修包袱大年夜大年夜降低，用户能在短时光内获得稳定控制才能；相反，假如体系请求大年夜脑产生不天然的活动模式，进修后果几乎不会出现本质性晋升。

脑机接口是一种让人类经由过程脑活动直接与计算机交互的技巧，人类相干研究已持续多年，但很多体系的实用性和进修效力仍然有限。 以往基于及时fMRI的脑机接口，平日须要多达十次、每次时光较长的练习，表示晋升却十分有限，大年夜约三分之一的介入者无论怎么演习都无法学会有效控制体系。 Busch团队认为，这在很大年夜程度上源于传统体系的设计方法：它们往往忽视了大年夜脑固有的组织构造，强迫用户“逆着大年夜脑的天然习惯”去进修。

为验证“适应大年夜脑几何构造”的假想，研究团队招募了一批健康青年受试者，安排他们参加四次fMRI实验。 在首轮实验中，介入者应用实体摇杆，在扫描仪内操控一个虚拟角色在场景中移动，同时研究人员记录其大年夜脑活动。 团队重点存眷与导航、空间活动相干的脑区，随后引入此前研究开辟的一种算法“T-PHATE”，用于提取每一位介入者的个别化“神经流形”，即其大年夜脑活动的天然构造轨迹。

基于这一“脑活动地图”，研究人员为每名受试者构建了三套不合的“脑控—游戏映射”体系。 第一套为“直不雅映射”，对接的是大年夜脑中最强、最天然的活动模式；第二套为“流形内扰动”，依然依托大年夜脑固有构造，但转向相对次要的活动模式；第三套则是“流形外扰动”，请求大年夜脑产生其日常平凡根本不会天然生成的活动模式。 换言之，这三种体系分别代表“顺势而为”“勉强顺势”和“完全逆势”三种不合设计思路。

行动表示之外，大年夜脑自身也表示出明显适应性变更。 跟着介入者逐渐控制“意念操控”，相干脑区的活动模式会从新组织，以更好匹配体系的需求。 在部分前提下，这种重组程度与介入者的操作程度高度相干；同时，这种变更并不限于最初锁定的导航脑区，而是向更广泛的神经收集扩散。 研究者据此认为，“神经流形”既是进修的束缚，也是机会——它决定了人能学会什么、能学多快。

这一发明也为懂得人类技能进修供给了新的视角。 研究团队指出，某些技能之所以相对轻易控制，可能不仅仅取决于小我尽力或禀赋，还与义务本身是否“适应”大年夜脑现有构造密切相干。 对那些与大年夜脑天然模式高度吻合的义务，人类往往进修敏捷；而若义务设计与这些模式严重背离，再多练习也可能见效甚微。

在应用层面，这项研究的潜在影响远超实验室范畴。 在心理健康范畴，研究人员认为，诸如抑郁、焦炙等疾病的干涉手段，若能沿着大年夜脑既有活动模式“循序渐进”地调剂，而不是试图彻底重塑大年夜脑回路，可能会更为有效。 对于存在活动或沟通障碍的患者，这种适应脑构造的设计理念也有望催生更稳定靠得住的非侵入式脑机接口，让他们更天然地经由过程脑旌旗灯号操控外部设备。

该研究由Erica L. Busch、E. Chandra Fincke、Guillaume Lajoie、Smita Krishnaswamy和Nicholas B. Turk-Browne等人合营完成，论文题为《经由过程流形几何实现人类对非侵入式脑机接口的进修》（Human learning of noninvasive brain–computer interfaces via manifold geometry）。 研究获得了美国国度科学基金会、加拿大年夜高等研究院、斯隆基金会以及美国卫生与"大众,"办事部所属机构等多方赞助。