為了協(xié)助脊髓損傷患者重建其肢體功能和膀胱控制，最新一項(xiàng)新的研究計(jì)劃將致力于開(kāi)發(fā)利用人工智能(AI)技術(shù)的“智能脊柱接口”(intelligent spine interface)。k3oesmc

這項(xiàng)研究計(jì)劃是由美國(guó)布朗大學(xué)(Brown University)、英特爾(Intel)、羅得島醫(yī)院(Rhode Island Hospital)和Micro-Leads Medical的工程師與神經(jīng)科學(xué)家攜手進(jìn)行，并已獲得美國(guó)先進(jìn)研究計(jì)劃署(DARPA)約630萬(wàn)美元的資助。k3oesmc

在這項(xiàng)研究中，研究人員將為脊髓受傷的患者嵌入電極于其傷部上方和下方的脊柱。透過(guò)AI系統(tǒng)執(zhí)行以生物啟發(fā)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，“監(jiān)聽(tīng)”并學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)和感官等訊號(hào)的含義，目標(biāo)在于以電子方式重新連接脊柱的兩個(gè)部分。k3oesmc

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“智能脊柱接口”研究計(jì)劃將記錄并分析脊髓損傷患者脊柱中的運(yùn)動(dòng)和感官訊號(hào)（來(lái)源：Intel）k3oesmc

該計(jì)劃基礎(chǔ)建立在腦機(jī)接口(BCI)領(lǐng)域中持續(xù)進(jìn)行中的研究，以控制外部效應(yīng)器。這些研究包括成功與大腦連接以控制計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)甚至機(jī)器人肢體的BrainGate項(xiàng)目，以及有關(guān)腦-脊柱接口和脊柱刺激的其他國(guó)際性研究計(jì)劃。k3oesmc

布朗大學(xué)工程學(xué)院助理教授暨該校腦科學(xué)研究所研究員David Borton主導(dǎo)了這項(xiàng)研究計(jì)劃。k3oesmc

Borton說(shuō)：“這項(xiàng)計(jì)劃的特點(diǎn)在于我們其實(shí)是想與脊髓展開(kāi)對(duì)話。我們并不只是想要刺激它或與其交談，還希望能夠聆聽(tīng)并學(xué)會(huì)從脊髓中提取有用的訊號(hào)，并利用它們來(lái)驅(qū)動(dòng)脊髓刺激。”k3oesmc

研究人員將記錄患者受傷部位上方脊柱區(qū)域的訊號(hào)，然后使用機(jī)器學(xué)習(xí)針對(duì)目前尚不完全了解的訊號(hào)進(jìn)行譯碼，并研究如何最有效加以運(yùn)用。其想法在于將這些訊號(hào)施加到脊柱的下方，以期激發(fā)正確的反應(yīng)。k3oesmc

電子系統(tǒng)

布朗大學(xué)、英特爾與羅得島醫(yī)院展開(kāi)合作，利用該醫(yī)院中監(jiān)測(cè)癲癇患者大腦的研究作為開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)。羅得島醫(yī)院的外科醫(yī)生將會(huì)在患者受傷部位的任何一側(cè)植入一對(duì)電極數(shù)組，由于患者的損傷類(lèi)型各不相同，因此這項(xiàng)任務(wù)特別困難。醫(yī)院還為此計(jì)劃專(zhuān)門(mén)打造了一個(gè)提供復(fù)健設(shè)備的空間。k3oesmc

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該計(jì)劃中將使用的電極數(shù)組示例，例如來(lái)自Micro-Leads Medical的電極數(shù)組（來(lái)源：Brown University）k3oesmc

實(shí)體植入物將采用由Micro-Leads開(kāi)發(fā)的高分辨率脊髓刺激技術(shù)，稱(chēng)為HD64。該計(jì)劃的第一階段將使用24個(gè)觸點(diǎn)的電極數(shù)組，到了第二階段則將使用64個(gè)觸點(diǎn)的電極數(shù)組。該觸點(diǎn)的大小約為1平方毫米，并且由于神經(jīng)元約為20微米，因此每個(gè)電極將一次記錄或刺激數(shù)十萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元。待記錄的訊號(hào)是電訊號(hào)；而當(dāng)神經(jīng)元彼此通訊時(shí)，電壓發(fā)生變化，電極將會(huì)感應(yīng)并記錄電場(chǎng)的變化。k3oesmc

研究人員希望“聽(tīng)到”哪些訊號(hào)？

“這是研究中令人振奮之處。通常，訊號(hào)中存在不同的頻段，分別代表不同的基本神經(jīng)元突起。因此，這可以為我們提供有關(guān)實(shí)際情況的線索。”英特爾AI產(chǎn)品事業(yè)部首席工程師Hanlin Tang說(shuō)，“但是，在機(jī)器學(xué)習(xí)方面還有許多工作要做，才能好好地詮釋這些訊號(hào)，以及了解在另一端要刺激什么。”Hanlin Tang本身就是神經(jīng)科學(xué)家，目前在英特爾負(fù)責(zé)這項(xiàng)合作研究計(jì)劃。k3oesmc

英特爾的團(tuán)隊(duì)將利用其硬件和機(jī)器學(xué)習(xí)方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)來(lái)協(xié)助打造可詮釋訊號(hào)的AI系統(tǒng)。k3oesmc

Tang說(shuō)：“目前面對(duì)的主要挑戰(zhàn)是在傾聽(tīng)脊柱時(shí)無(wú)法達(dá)到夠高的傳真度。這就像試圖中繼一條訊息，但只能聽(tīng)到另一側(cè)提到的幾句話。透過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)，或許就可以使用一些先驗(yàn)知識(shí)來(lái)嘗試填補(bǔ)差距，并成為重建此類(lèi)損傷的理想接口。”k3oesmc

AI還將處理兩個(gè)電極數(shù)組之間(從損傷部位的一側(cè)到另一側(cè))的映射¬¬——這確實(shí)是一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)。k3oesmc

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將電極數(shù)組嵌入于患者的脊柱中，即可用于記錄大腦發(fā)送的訊號(hào)。（來(lái)源：Intel）k3oesmc

Borton解釋說(shuō)，神經(jīng)系統(tǒng)極具可塑性，并且可以隨著時(shí)間的進(jìn)展而學(xué)習(xí)——即神經(jīng)元的“發(fā)射”和整合——這意味著從脊柱的一部分進(jìn)行記錄并刺激另一部分，就能讓神經(jīng)系統(tǒng)學(xué)習(xí)該特定訊號(hào)的含義。k3oesmc

Borton說(shuō)：“這并非進(jìn)行精確的一對(duì)一映射。我們計(jì)劃開(kāi)發(fā)的接口將記錄來(lái)自成千上萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元的訊號(hào)，并將它們相互迭加在一起。而且，我們將刺激稀疏的觸點(diǎn)子集，這些觸點(diǎn)將不特定地影響成千上萬(wàn)個(gè)不同神經(jīng)元的活動(dòng)。只要有了好的起點(diǎn)，神經(jīng)系統(tǒng)就有望學(xué)會(huì)如何進(jìn)行解釋。”k3oesmc

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

英特爾AI團(tuán)隊(duì)將與布朗大學(xué)的認(rèn)知、語(yǔ)言和心理學(xué)副教授Thomas Serre合作——他專(zhuān)精于開(kāi)發(fā)以生物啟發(fā)的AI網(wǎng)絡(luò)。Serre最近有關(guān)“視覺(jué)皮層如何進(jìn)行視覺(jué)處理”的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究顯示，生物啟發(fā)的架構(gòu)可望以更少的數(shù)據(jù)訓(xùn)練產(chǎn)生模型，而且效率更高。k3oesmc

Borton說(shuō)，用于智能脊柱接口的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將基于醫(yī)學(xué)界對(duì)下肢解剖學(xué)和功能結(jié)構(gòu)的理解，而且可以在一定程度上進(jìn)行建模。k3oesmc

訓(xùn)練數(shù)據(jù)是任何神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵要求，但是，智慧脊柱計(jì)劃將比典型的AI系統(tǒng)存取更少的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。k3oesmc

但這種AI系統(tǒng)需要分別針對(duì)每一位患者進(jìn)行訓(xùn)練嗎？k3oesmc

Borton說(shuō)：“這正是我們打算研究的目標(biāo)之一。答案很可能是肯定的。而另一個(gè)懸而未決的問(wèn)題是，如果我們確實(shí)對(duì)一位參與患者進(jìn)行了訓(xùn)練，那么究竟需要多少再訓(xùn)練或是多么深度的訓(xùn)練？實(shí)際上得再訓(xùn)練多少層？這些可能都會(huì)很有意思。而當(dāng)我們得以收集來(lái)自更多患者的數(shù)據(jù)，隨著時(shí)間的進(jìn)展，還可能從中得知在脊髓的不同損傷部位發(fā)生了哪些病變，因而可能有助于推導(dǎo)出新的診斷發(fā)現(xiàn)。”k3oesmc

硬件和軟件

布朗大學(xué)團(tuán)隊(duì)將與英特爾的研究人員合作，英特爾將為這項(xiàng)研究計(jì)劃提供硬件、軟件和研究支持。k3oesmc

英特爾的Hanlin Tang指出，該研究計(jì)劃的第一年將著重于開(kāi)發(fā)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，到了第二年則將應(yīng)用算法，同時(shí)，英特爾將開(kāi)始為開(kāi)發(fā)中的機(jī)器學(xué)習(xí)加速器(特別是用于訓(xùn)練和推論的英特爾Nervana神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器系列)進(jìn)行優(yōu)化。軟件堆棧則將采用英特爾開(kāi)發(fā)的跨平臺(tái)軟件nGraph。k3oesmc

Tang說(shuō)：“這真正令人振奮之處在于工作負(fù)載還不完全為人所知。與企業(yè)客戶的合作將會(huì)有所不同，針對(duì)企業(yè)客戶，您可能面對(duì)需要為五項(xiàng)工作負(fù)載進(jìn)行優(yōu)化的任務(wù)。”k3oesmc

最大的硬件和軟件挑戰(zhàn)之一在于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的操作，以修復(fù)患者的運(yùn)動(dòng)和膀胱控制。k3oesmc

他說(shuō)：“我們需要實(shí)時(shí)詮釋所有的通道和不同的頻段，然后對(duì)其進(jìn)行解讀，以及學(xué)習(xí)如何刺激并彌合神經(jīng)回路空白。”k3oesmc

其最終目的在于利用這項(xiàng)研究開(kāi)發(fā)出新技術(shù)，讓小型的植入式裝置可協(xié)助病患在復(fù)原期間進(jìn)行復(fù)健運(yùn)動(dòng)和膀胱控制，并希望有一天能夠有助于讓許多脊髓損傷患者真的重新再站起來(lái)！k3oesmc

(原文發(fā)表于ASPENCORE旗下ESM姐妹媒體EETimes，參考鏈接：Intelligent Spine Interface will Bridge Spinal Injuries with AI，編譯：Susan Hong 責(zé)編：Elaine Lin)k3oesmc