用二戰時的密碼破譯技術，翻譯神經信號

撰文 | 海倫·舍恩（Helen Shen）

翻譯 | 馬驍驍

第二次世界大戰時，密碼學家利用密文中的語言模式破解了德軍的恩尼格瑪（Enigma）密碼。通過分析特定字母和辭彙出現的頻率和分布規律，英國計算機學家阿蘭·圖靈（Alan Turing）和同事找到了把密文亂碼翻譯成明文的關鍵。如今神經科學家正試圖借用密碼學中的智慧，「破譯」編碼肢體運動的大腦信號。

人類的很多動作，如行走或伸臂，遵循著可預測的模式。根據這一特點，美國喬治亞理工學院和埃默里大學的神經科學家伊娃·戴爾（Eva Dyer）受密碼學啟發，提出了一個神經解碼策略。2017年12月，她和同事的研究結果發表在了《自然·生物醫學工程》（Nature Biomedical Engineering）雜誌上。

美國芝加哥大學的神經學家尼古拉斯·哈索普洛斯（Nicholas Hatsopoulos，未參與本項研究）說，「雖然我早就聽說過這種方法，但這是第一批成功發表的研究之一。該研究非常新穎。」

現有的腦機介面——例如控制假肢的介面，通常使用「監督式解碼器」。它們需要同時記錄神經活動和實時的運動細節，包括肢體位態和速度等信息，十分耗時。然後，系統用這些信息訓練解碼器，使其能把神經信號翻譯成對應的肢體運動。用密碼學術語來說，這類似於比對大量密文和對應的明文，逆向找到密鑰。

戴爾的團隊沒有採用這類方案，而是試圖僅從「密文」（指神經信號）和一些運動過程中的模式，分析預測肢體運動。他們訓練三隻獼猴用手臂或手腕運動控制屏幕上的游標移動到一些目標點。同時，植入到猴子大腦中的電極會記錄各自運動皮層中約100個神經元的活動信號。然後研究者測試了大量計算模型，看哪個能將神經活動的統計模式最準確地映射為觀察到的動物運動模式。

當研究者用最優模型解碼獼猴單次運動的神經活動時，預測準確率和一些簡單的監督式解碼器相差無幾。加利福尼亞大學洛杉磯分校的計算神經科學家喬納森·考（Jonathan Kao ，未參與本項研究）評價說，「這項工作非常酷。」

戴爾稱自己的工作還只是概念性驗證，並表示在把該技術投入實用之前還有很多事要做。她說，「這種技術還無法和目前最好的解碼器競爭，但我們才剛剛起步。」

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