《自然·神经科学》：脑控听觉系统在首批人体研究中得到验证

哥伦比亚大学祖克曼研究所的科学家们首次通过人体研究获得了直接证据，证明脑控听力技术可以帮助人们在人群中分辨出特定声音。这些初步发现表明，研究人员或许有一天能够开发出一种听力增强设备，该设备除其他功能外，还能克服传统助听器在嘈杂环境中存在的诸多问题。

　　

哥伦比亚大学祖克曼研究所的科学家们首次通过人体研究直接证实，脑控听力技术可以帮助人们在人群中分辨出特定声音。这些初步发现表明，研究人员或许有一天能够开发出一种听力增强设备，该设备能够克服传统助听器在嘈杂环境中存在的诸多问题。他们的研究成果已于今日在线发表在《自然·神经科学》杂志上。

“我们开发了一种系统，它充当用户的神经延伸，利用大脑的自然能力，过滤复杂环境中的所有声音，动态地隔离用户想要听到的特定对话，”资深作者、哥伦比亚大学祖克曼研究所首席研究员、哥伦比亚大学傅氏基金工程与应用科学学院电气工程副教授尼玛·梅斯加拉尼博士说。 

“这项科学使我们能够超越传统的助听器（助听器只是简单地放大声音），展望未来，届时技术可以恢复人脑复杂而有选择性的听觉，”梅斯加拉尼博士补充道。

在这项新研究中，哥伦比亚大学的研究人员与外科医生及其接受脑部手术的癫痫患者合作，以更精确地确定癫痫发作的根源。这些自愿参与研究的住院患者，其大脑中已经植入了电极。梅斯加拉尼博士的系统利用这些电极来测量患者在专注于同时播放的两段重叠对话中的一段时的大脑活动。然后，该系统会自动检测 患者正在关注哪一段对话，并实时调整音量，提高正在关注的对话的音量，同时降低另一段对话的音量。

一位志愿者表示，用大脑控制这套系统的体验简直难以置信。她指责研究人员暗中调整音量。其他人则讲述了他们有听力障碍的朋友和家人可以从这项技术中受益的故事。有人说：“这简直像科幻小说一样。”（您可以在这里和这里观看研究人员的视频。）

现代助听器擅长放大语音，同时抑制某些类型的背景噪音，例如交通噪音。但它们无法分离和增强特定的声音；它们会不加区分地放大麦克风接收到的所有声音。这使得人们很难在嘈杂的声音中专注于某个特定的说话者。 

解决此问题的一个有希望的方案是使用一种助听设备，它可以模仿人脑通常在人群中识别和专注于一个说话者的方式，这种现象有时被称为鸡尾酒会效应。

2012年，梅斯加拉尼博士及其同事发现了一些方法，可以在人群演讲中识别出哪些脑信号与特定的对话相关联。例如，脑电波的峰值和谷值出现的时间可以与对话中的声音和静默相吻合。他们还发现，一种独特的脑活动模式可以揭示一个人正在关注哪个对话，又在忽略哪些对话。

这些发现或许有一天能催生出真正实用的助听和增强设备，它们可以监测脑电波，从而检测并放大用户最感兴趣的对话。在过去十年左右的时间里，梅斯加拉尼博士和其他研究人员开展了数百项研究，克服了诸多挑战，力求将这一梦想变为现实，例如开发计算机算法，自动分离多人对话中每个人的声音，然后将每个人的声音与听者的脑电波进行比较。

“此前未解的核心问题是，脑控听觉技术能否超越渐进式发展，最终研制出能够帮助人们实时改善听力的原型，”论文第一作者维沙尔·乔杜里（Vishal Choudhari）说道。乔杜里在梅斯加拉尼博士的实验室获得电气工程博士学位，并领导了该系统的开发和评估工作。“我们首次证明，这种通过读取脑信号来选择性地增强对话的系统能够提供清晰的实时益处。这使得脑控听觉技术从理论走向了实际应用。”

研究人员与霍夫斯特拉诺韦尔医学学院、纽约大学医学院费恩斯坦医学研究所以及加州大学旧金山分校神经外科系的医生及患者合作，这些医生和患者自愿参与了这项研究。

科学家们开发出了实时的机器学习算法，能够监测脑电波并识别出患者正在关注的对话内容。一旦投入使用，他们的系统能够迅速推断出每个听众正在关注的是哪一对话，并使他们更容易听到它。这种效果不仅在研究人员引导受试者关注特定对话的情况下出现，在受试者自由选择的情况下也会如此，而这在实际对话中是必须的。

梅斯加拉尼博士表示：“要使这一系统能够实时运行，那么该系统就必须非常快速、准确且稳定，这样才能让听众感受到良好的听觉体验。”

科学家们发现，他们的新系统能够准确地识别出志愿者们所关注的对话内容。这极大地提高了志愿者所专注聆听的对话的清晰度，降低了他们的聆听难度，并且与系统未提供帮助的对话相比，该系统始终更受志愿者们的青睐。

一位志愿者回忆起了她的叔叔，她叔叔有听力障碍。“你能想象如果这种技术存在于这样一个世界里……他能够使用它的话会怎样吗？他或许真的能过上更加平静……的生活。”

据世界卫生组织的数据，全球有超过 4.3 亿人患有不同程度的听力障碍，其中许多人尤其在嘈杂的社交环境中会感到困难。未得到治疗的听力损失是导致痴呆症的首要可改变风险因素，同时也是导致抑郁和社交孤立的主要原因。科学家们表示，这项研究为未来可穿戴设备的发展奠定了基础，这些设备或许有一天能够将大脑感应与先进的音频处理技术相结合。这将有助于听力障碍患者，并有可能增强听力，减轻在诸如餐厅、教室、繁忙的工作场所和家庭聚会等日常具有挑战性的环境中聆听时的疲劳感。

科学家们指出，在这项技术能够以可穿戴的形式出现，并能够在更复杂的实际场景中以微创的方式发挥作用之前，还需要进行大量的工作。例如，梅斯加拉尼博士表示，他们希望有一天能看到他们的系统在更为复杂的实际聆听环境中表现如何。