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美鳳力臨床前大動物實驗中心
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“提筆忘字”是許多人日常生活中的常見煩惱，它常在書寫時造成困擾。然而，對于那些因脊髓損傷、肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）等疾病完全喪失書寫能力的人群，情況遠(yuǎn)不止于此。他們面臨的“無法提筆”不僅是物理上的障礙，更蘊(yùn)含著深刻的無奈力感，因為這些患者無法通過書寫表達(dá)自己的思想和情感。如何讓這些人的內(nèi)心世界也能躍然紙上，實現(xiàn)自由而流暢的表達(dá)，成為一個迫切需要社會關(guān)注和解決的挑戰(zhàn)。
近日，南湖腦機(jī)交叉研究院的郝耀耀/王躍明研究團(tuán)隊聯(lián)合浙江大學(xué)在國際頂級期刊《Advanced Science》上發(fā)表了一項開創(chuàng)性成果：成功開發(fā)了一種全新的腦機(jī)接口（BCI）解碼技術(shù)，實現(xiàn)了僅憑大腦“想象”書寫，即可高精度還原復(fù)雜漢字軌跡并轉(zhuǎn)化為可識別文本，在包含1000個漢字的測試庫中，系統(tǒng)識別正確率高達(dá)91.1%！這項被譽(yù)為“腦寫漢字”的技術(shù)，為非拉丁語系，特別是中文使用者的意念溝通，點(diǎn)亮了前所未有的曙光。
想象一下這樣的場景：一位癱瘓患者看著屏幕上播放的標(biāo)準(zhǔn)漢字書寫動畫，努力在腦海中“跟隨”書寫。這就是臨床BCI訓(xùn)練“意念寫字”的常見模式。然而，一個核心難題始終存在：患者大腦產(chǎn)生書寫意圖的時間點(diǎn)（“所思”），與看到的引導(dǎo)動畫中筆跡運(yùn)動的時間點(diǎn)（“所示”），常常難以實現(xiàn)精確同步！這種“信號錯位”（Misalignment）在書寫過程中還可能時快時慢，呈現(xiàn)動態(tài)變化。傳統(tǒng)的解碼模型（如廣泛使用的MSE損失函數(shù)）就像一個“刻板的校對員”，要求大腦神經(jīng)信號必須與外部引導(dǎo)標(biāo)簽在每一瞬間都嚴(yán)絲合縫地對齊。這種錯位導(dǎo)致模型訓(xùn)練混亂，最終解碼出的書寫軌跡往往“形神俱散”，難以辨識——尤其對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的漢字，更是雪上加霜。
團(tuán)隊的核心創(chuàng)新在于引入了名為 DILATE 的智能解碼“指揮官”。它不再苛求每一刻的精確對齊，而是具備兩大智慧：DILATE的核心之一是“柔性動態(tài)時間規(guī)整”（Soft DTW）。它如同深諳書法的鑒賞家，專注于筆畫軌跡的整體走勢與關(guān)鍵特征（起筆、轉(zhuǎn)折、頓挫、收筆）。它能智能地“拉伸”或“壓縮”神經(jīng)信號的時間軸，尋找與目標(biāo)書寫動作在“神韻”和“骨架”上最為匹配的路徑，不拘泥于每一毫秒的絕對位置。這完美契合了漢字書寫講究“筆意連貫、氣韻生動”的特質(zhì)。為防止這種柔性對齊過于“放飛自我”，DILATE的另一部分會對時間軸的扭曲程度進(jìn)行適度約束，確保對齊路徑不會過度偏離正常的時間節(jié)奏。
研究在一名因C4脊髓損傷導(dǎo)致肩部以下完全癱瘓的老年患者身上展開。團(tuán)隊在其控制手部運(yùn)動的腦區(qū)植入微電極陣列，記錄他“想象”用粉筆在黑板上書寫180個常用漢字時的神經(jīng)信號。
應(yīng)用DILATE框架訓(xùn)練的模型（LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），解碼出的漢字軌跡在形態(tài)和筆畫動態(tài)上高度逼近目標(biāo)，效果遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)MSE方法。衡量整體相似度的關(guān)鍵指標(biāo)（歸一化DTW距離）顯著降低。即使使用常規(guī)手寫識別軟件（對“一筆畫”軌跡識別存在局限），DILATE解碼的字符識別率也顯著提升，達(dá)到37.2%（單日）和52.2%（多日融合）。
更重要的是，團(tuán)隊開發(fā)了獨(dú)家的“速度指紋”識別法：利用每個漢字獨(dú)一無二的書寫速度變化曲線作為識別“密碼”。采用這種基于動態(tài)時間規(guī)整（DTW）的模板匹配，在浩如煙海的1000個漢字庫中，DILATE的識別正確率高達(dá)91.1%（多日融合）！這充分證明了該技術(shù)的強(qiáng)大魯棒性和實用潛力。
團(tuán)隊將該技術(shù)應(yīng)用于已發(fā)表的英語字母書寫數(shù)據(jù)集，同樣顯著提升了單次書寫軌跡的還原質(zhì)量和字母識別率，有力證明了其跨語言、跨書寫系統(tǒng)的強(qiáng)大通用性。
這項“腦寫漢字”技術(shù)的突破，其意義遠(yuǎn)超單一成果：
01、中文溝通者的福音 首次為中文使用者提供了高效“腦寫”BCI的可行路徑，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的關(guān)鍵空白。 02、攻克臨床核心瓶頸 DILATE智能地繞開了臨床BCI訓(xùn)練中最大的“攔路虎”——信號錯位，為開發(fā)穩(wěn)定可靠的實用化系統(tǒng)掃清了關(guān)鍵障礙。 03、擁抱全球文字 基于軌跡重建（而非字符庫分類）的策略，使其天然適用于全球所有書寫系統(tǒng)，無論是字母、漢字還是其他復(fù)雜符號，真正實現(xiàn)“所思即所寫，無問西東”。 04、“意念創(chuàng)作”新篇章 高精度軌跡解碼能力，為未來的“腦控繪圖”、“意念簽名”乃至更精細(xì)的腦控交互開啟了廣闊想象空間。
這項研究是“腦寫”范式從字母邁向象形/意音文字的關(guān)鍵一步，旨在助力因疾病或傷殘而“失語”“失寫”的人群，重新以最熟悉的文字、最自由的方式，與世界進(jìn)行心與心的對話。未來，團(tuán)隊將加速推進(jìn)該技術(shù)的在線實時驗證與臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化。
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