中国の非侵襲性脳コンピューターインターフェース技術はどのようにして「マインドタイピング」を実現するのでしょうか?

2023年5月、多くの友人が注目したであろうニュースがありました。我が国の天津大学の研究者らは、「超大規模命令セットと高速」非侵襲性脳コンピュータインターフェースシステムと呼ばれる高性能脳コンピュータインターフェースを開発し、非侵襲性脳コンピュータインターフェースの最大命令セットの世界記録も樹立した。

前回のニュースを読んだ後、何人かの友人が「超大規模命令セット」と「非侵襲的」は何の役に立つのかと尋ねました。実際、脳コンピューターインターフェースに関して言えば、人間の脳と外部デバイスの間に直接的または間接的な接続パスを確立し、脳と機械が通信できるようにすることであることは多くの友人が知っています。簡単に言えば、脳が何を考えているのかを分析し、それを機械に直接伝える指示に変換することです。もちろん、外部の情報を脳に入力する、入力型の脳コンピューターインターフェースもあります。

入力であれ出力であれ、侵襲的形式と非侵襲的形式に分けられます。侵襲的な方法は理解しやすいです。簡単に言えば、脳に電極を埋め込むのです。私たちは多くのSF映画で同様のものを見てきました。電極を埋め込むと、脳の神経電気信号が収集され、その信号を分析して、大まかに何を考えているのかが分かります。そして、あなたが考えていることがエンコードされて送信され、機械への指示に変換されます。

もうひとつのタイプは非侵襲性で、移植を必要としません。頭皮脳波などの脳外からの信号を収集し、それを分析して何を考えているのかを推測します。思考によって前進または後退を制御できる脳制御のおもちゃの車もオンラインで販売しています。しかし、前進しようと思っても車が前に進まなかったり、後退しようと思っても車が後ろに進まなかったりすることがあるかもしれません。何か特定のものを思い浮かべると車が前進する、例えば「ナス」を思い浮かべると車が前進し、ジャガイモを思い浮かべると車が後退する、といった具合です。では、3つの新鮮な野菜について考えることは、ただ堂々巡りをしているだけなのでしょうか?試してみれば分かります。

もちろん、これはおもちゃなので、かなり粗雑です。しかし、原理は、頭の外から脳の活動に関する情報を収集することです。しかし、この非侵襲的な脳コンピューターインターフェースには、相対的な欠点があります。大量の情報やより正確な情報を入手することは困難であり、情報の伝達には一定の制約が伴います。結局のところ、侵襲的な方法と比較すると、脳から直接神経からの電気信号を収集するため、より直接的です。非侵襲的な方法は屋外で行われ、それほど直接的ではなく、少し遠いです。そのため、人々は常に EEG 信号をより正確に識別し、単位時間あたりに抽出して送信できる情報量を増やそうとしています。なぜなら、単位時間あたりの情報量が少なすぎると、あなたがその時々で何を考えているのかを分析することが難しくなるからです。ジャガイモのことを考えているなら、前進していると思います。

天津大学のこの科学研究の成果は、超大規模な命令セットを使用して、より複雑で正確な命令を送信し、単位時間あたりにより多くの情報を伝送することです。もちろん、その背後には EEG 信号の正確な認識と区別もあります。簡単に言えば、非侵襲的な脳コンピューターインターフェースが使いやすくなるということです。

画像はTuchong.comより

これは実は非常に意味のあることです。なぜなら、侵襲性電極を脳内に挿入するということは、絶対に必要な場合を除き、結局は一定のリスクがあるからです。ラジコンカーで遊ぶためだけに脳に電極を埋め込むのですか？誰もこんな風にプレイしません。しかし、非侵襲的なものは異なります。何かを身に着けて、ウェアラブルデバイスを使うだけです。これにより、脳コンピューターインターフェースの応用範囲が大幅に拡大します。仮想現実技術 VR と言うように、ゲーム体験が素晴らしく、リアルで、没入感があるように感じられます。しかし、誰もが喜んでプレイし、使用する理由は、ヘルメットとメガネを着用するだけで済むからです。 VR ゲームをプレイするために頭に穴を開ける必要がある場合、その体験がどれほど優れていても、どれほど没入感があっても、プレイする人は多くないでしょう。したがって、非侵襲的な脳コンピューターインターフェースは、私たちの生活にさらに簡単に統合されます。

研究チームはこの技術を使って「マインドタイピング」も実証した。いわゆる「マインドタイピング」は、実際に多くの人々によって研究されてきました。つまり、手で入力するのではなく、脳で考えるだけで言葉が出てくるということです。彼らの中には、タイピングのプロセスを想像する者もいれば、マスク氏が開発した Newlink のように点滅する仮想キーボードを使用する者もいるが、彼のものは侵入的である。また、書くプロセスを想像することで、考えている文字を認識するマインドタイピングもあります。 2021年に、誰かがNatureに論文を発表しました。文字を書く過程を頭の中でイメージすることで、99%の精度で認識が表示されました。これにより、麻痺した患者でも考えながら書くことができ、入力速度も非常に速くなります。しかし、これも侵襲的であり、電極の埋め込みが必要になります。非侵襲的なマインドタイピングであれば素晴らしいでしょう。私たちの多くは現在、音声入力を使用していますが、将来的には、考えて入力するだけの思考入力が使用されるようになるかもしれません。しかし、これらを実現するには、まだ多くの技術的な進歩が必要です。

実際、天津大学のチームは現在、チップ、電極、アルゴリズムからシステムに至るまで、国内のフルチェーンの非埋め込み型脳コンピューター情報相互作用技術システムを構築している。 EEG認識精度、制御指示数、情報伝達率の3つのコア指標はいずれも国際的に最高水準に達しています。中国の科学者が作成したこの記録は、私たちの科学研究能力がますます強くなっていることも示しています。私はテクノロジーの発展による未来を信じています。非侵襲性の脳コンピューターインターフェースは徐々に私たちの生活に入り込み、中国の科学者はこの点でさらなる貢献を果たすだろう。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者: 張玉志

査読者：葉盛（北京航空航天大学教授）

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司