Forskere kan læse en fugls hjerne og forudsige dens næste sang

Max Litvinov

Iværksættere i Silicon Valley har i år sat sig et dristig nyt mål: at skabe en hjernelæse-enhed, der giver folk mulighed for ubesværet at sende tekster med deres tanker.

I april annoncerede Elon Musk et hemmelighedsfuldt nyt hjernegrænsefladefirma kaldet Neuralink. Dage senere erklærede Facebooks administrerende direktør Mark Zuckerberg, at direkte hjernegrænseflader [vil] til sidst kun lade dig kommunikere med dit sind. Virksomheden siger, at det har 60 ingeniører, der arbejder på problemet.

Det er en ambitiøs søgen - og der er grunde til at tro, at det ikke vil ske i den nærmeste fremtid. Men for mindst én lille, orangenæbt fugl, zebrafinken, blev drømmen bare meget tættere på virkeligheden.

Det er takket være noget smart arbejde af Timothy Gentner og hans studerende ved University of California, San Diego, som byggede en hjerne-til-tweet-grænseflade, der finder ud af sangen en finke kommer til at synge en brøkdel af et sekund, før den gør det .

Vi afkoder realistisk syntetisk fuglesang direkte fra neural aktivitet, meddelte forskerne i en ny rapport offentliggjort på hjemmesiden bioRxiv . Holdet, som omfatter den argentinske fuglesang-ekspert Ezequiel Arneodo, kalder systemet for den første prototype af en dekoder af komplekse, naturlige kommunikationssignaler fra neural aktivitet. En lignende tilgang kunne give næring til fremskridt hen imod en menneskelig tanke-til-tekst-grænseflade, siger forskerne.

Forskere siger, at de kan forudsige en finkes sang direkte ud fra dens hjerneaktivitet.

En sangfugls hjerne er ikke for stor. Men dens vokaliseringer ligner menneskelig tale på måder, der gør disse fugle til en favorit blandt videnskabsmænd, der studerer hukommelse og kognition. Deres sange er komplekse. Og ligesom menneskesprog er de lært. Zebrafinken lærer sit kald fra en ældre fugl.

Makoto Fukushima, en stipendiat ved National Institutes of Health, som har brugt hjernegrænseflader til at studere de simplere grynt og kurren, som aber laver, siger, at det rigere udvalg af fuglesang er grunden til, at de nye resultater har vigtige konsekvenser for anvendelse i menneskelig tale.

Nuværende hjernegrænseflader, der er prøvet hos mennesker, sporer for det meste neurale signaler, der afspejler en persons forestillede armbevægelser, som kan bruges til at flytte en robot eller dirigere en markør til meget langsomt at plukke bogstaver ud. Så ideen om en hjelm eller hjerneimplantat, der ubesværet kan opfange det, du prøver at sige, er stadig temmelig langt fra at blive realiseret.

Men det er strengt taget ikke umuligt, som den nye undersøgelse viser. Holdet på UCSD brugte siliciumelektroder i vågne fugle til at måle den elektriske støj fra neuroner i en del af hjernen kaldet den sensorisk-motoriske kerne, hvor kommandoer, der former produktionen af ​​indlært sang, stammer fra.

Eksperimentet brugte neural-netværkssoftware, en type maskinlæring. Forskerne tilførte programmet både mønsteret af neural affyring og den faktiske sang, der resulterede, med dens stop og start og skiftende frekvenser. Ideen var at træne deres software til at matche den ene til den anden, i hvad de kaldte neural-til-sang spektrum mappings.

Holdets vigtigste innovation var at forenkle hjerne-til-tweet-oversættelsen ved at inkorporere en fysisk model af, hvordan finker larmer. Fugle har ikke stemmebånd, som mennesker har; i stedet skyder de luft over en vibrerende overflade i deres hals, kaldet en syrinx. Tænk på, hvordan du kan lave en høj klynk ved at lægge to stykker papir sammen og blæse i kanten.

Det endelige resultat, siger forfatterne: Vi afkoder realistisk syntetisk fuglesang direkte fra neural aktivitet. I deres rapport siger holdet, at det kan forudsige, hvad fuglen vil synge omkring 30 millisekunder, før den gør det.

Du kan selv lytte til resultaterne i lyden nedenfor. Husk på, at zebrafinken ikke er nogen nattergal. Dens sang er mere som et staccato kvaksalver.

Sangen om en fanget zebrafink.

Den samme sang, som forudsagt fra neurale optagelser inde i finkens hjerne.

Sangfugle er allerede en vigtig forskningsmodel. Hos Elon Musks Neuralink var fugleforskere blandt de første nøgleansættelser. Og UCSDs trick med at fokusere på at opdage muskelbevægelserne bag tale kan også være en nøgleudvikling.

Facebook har sagt, at det håber, folk vil være i stand til at skrive direkte fra deres hjerner med 100 ord i minuttet, og privat sende tekster, når de vil. En enhed, der er i stand til at læse de kommandoer, din hjerne sender ud til musklerne, mens du er engageret i subvokale ytringer (tavs tale), er sandsynligvis meget mere realistisk end en, der læser tanker.

Gentner og hans team håber, at deres finker vil være med til at gøre det muligt. Vi har demonstreret en [hjerne-maskine-grænseflade] til et komplekst kommunikationssignal ved at bruge en dyremodel til menneskelig tale, skriver de. De tilføjer, at vores tilgang også giver et værdifuldt bevisgrundlag for biomedicinske taleproteser.

Vi er med andre ord lidt tættere på at sende sms'er fra vores hjerner.

skjule