【機器學習】腦機接口利器：錯誤率僅3%

機器翻譯真的是萬能的，不僅能夠寫詩、對對聯、推導微分方程，還能夠讀取腦波資訊。

昨天，加州大學舊金山分校的Joseph Makin 等人在 Nature Neuroscience上發表了一篇論文，標題為《利用 encoder-decoder 框架，將大腦皮質活動翻譯為文檔》（Machine translation of cortical activity to text with an encoder–decoder framework）。

這篇論文的工作思路異常簡單。他們將腦波到文檔的轉換視為機器翻譯的過程，腦波為輸入序列，文檔為輸出序列。

通過讓受試者朗讀文檔，收集相應腦區的電波，構成訓練數據集，然後去訓練一個端到端的機器翻譯模型。

通過這種方式，他們獲得了一個模型，這個模型能夠將受試者的腦波「準確」、「實時」地轉換為句子文檔，而錯誤率僅為3%。

這種創新，無疑是革命性的。

目前一些用於大腦控制打字的腦機接口技術，大多依賴於頭部或眼睛的殘餘運動。以霍金為例，他可以通過手指的運動控制虛擬鍵盤來打出他想表達的單詞。但這種方式一分鐘最多也只能打出8個單詞。

也有一些嘗試將口頭語音（或嘗試發出的語音）解碼為文字，但迄今也僅限於對單音素或單音節的解碼，在中等大小的文檔（100個單詞左右）上錯誤率往往高達60%以上。

Joseph 等人的這項工作，則直接將腦波幾乎無延遲地準確轉換為文檔，對於癱瘓患者來說，無疑是一大福音。

總體思路

如前面所述，作者借用了自然語言處理領域的概念，在自然語言的機器翻譯中，是將文檔從一種語言翻譯到另外一種語言。而腦波到文檔，事實上也是類似的一種「翻譯」過程。

從概念上講，這兩種場景的目標都是在兩種不同表示之間建立映射關係。更具體地說，在這兩種情況下，目的都是將任意長度的序列轉換為任意長度的另一序列。這裡需要重點強調一下「任意」，因為輸入和輸出序列的長度是變化的，並且彼此之間並不必須有確定性的一一對應關係。

在Joseph 等人的這項工作中，他們嘗試一次解碼一個句子，這和現在基於深度學習的端到端機器翻譯算法類似。

兩者相同的地方是，都會映射到相同類型的輸出，即一個句子的詞序列。不同之處在於，輸入，機器翻譯的輸入是文檔，而Joseph等人工作的輸入是神經信號——受試者朗讀句子，實驗人員用高密度腦電圖網格（ECoG grids）從參與者的大腦皮層處收集信號。

於是，對神經信號稍加處理後，便可以直接用 seq2seq架構的機器翻譯模型進行端到端訓練，基本不用進行改動。

在這項工作中，最難的是如何獲取足夠多的訓練數據集。我們知道，機器翻譯的數據集可以達到上百萬規模，但這個實驗中的每一個受試者頂多也就只能提供幾千量級的數據。在這種訓練數據稀少的背景下，為了充分利用端到端學習的好處，作者使用了一種隻包含30~50個獨立句子的受限「語言」。

模型

在這項研究中，為了收集輸入數據，要求參與人員大聲朗讀句子，觀察腦波活動。一組需要朗讀的數據是圖片描述，大概有30個句子，125個單詞，另一組採用MOCHA-TIMIT語料資料庫中的數據，以50個句子為一組，最後一組包含60個句子。

一共有四個參與者進行朗讀，研究人員只考慮重復朗讀三次的句子集，其中一次朗讀的數據用於測試，兩次用於訓練。

參與者在大聲朗讀的時候，會產生腦電波，給參與人員插上電極之後，研究人員用高密度腦電圖網格（ECoG grids）從參與者的大腦皮層處收集信號。

收集的腦電波信號和對應朗讀的句子，會作為數據輸入到「編碼-解碼」架構的人工神經網路。

如上圖所示，人工神經網路對輸入數據進行處理會經過三個階段：

1、時間卷積：一些類似的特征可能會在腦電信號數據序列的不同點處重現，全連接的前饋神經網路顯然無法處理。為了有效學習這種規律，網路以一定的步幅為間隔，對每個間隔應用相同的時間濾波器（temporally brief flter）。

2、編碼器循環神經網路：經過時間卷積的處理會產生特征序列，把特征序列輸入到編碼器循環神經網路裡面，然後，神經網路的隱藏層會提供整個序列的高維編碼，這個編碼與長度無關。

3、解碼器循環神經網路：在解碼階段，重點將是高維序列「翻譯」成一個單詞。這時的循環神經網路會進行初始化，然後對每一步的單詞進行預測，當預測結果是end-of-sequence token時，停止解碼。

作者所使用的神經網路框架如下圖所示：

訓練整個網路的目標是接近MFCC（梅爾倒譜系數特征），MFCC能夠引導神經網路產生良好的序列解碼。但是在模型測試階段，拋棄了MFCC，解碼完全依靠解碼器神經網路的輸出。在模型訓練中，隨機梯度下降法貫穿訓練的整個過程，所有的網路層都應用了dropout。

模型評估用錯詞率（The Word error rate, WER）量化，WER基本想法就是把正確答案和機器的識別結果排在一起，一個詞一個詞的對，把多出的詞，遺漏的詞和錯誤識別的詞統統加在一起，算作錯誤，然後計算錯誤的詞占實際單詞總數的百分比。

經過驗證，所有參與者的平均WER為33%，對比當前最先進的語音解碼WER的60%，效果較好。

實驗結果

作者在論文中一共進行了兩個實驗，一個是採取了類似「控制變量」的方法，看看為何這個模型表現如此優秀，另一個是通過遷移學習改善其他參與者的模型表現。

在「控制變量」實驗中，作者重新訓練網路，上圖的第二個框是採用低密度腦圖網格數據（lower-density ECoG grids）並進行下采樣的性能。另外，作者隻留下了1/4個通道，即只用了64個通道，而不是256個通道，此時的錯詞率比原先高出四倍。這意味著除了高密度腦電圖網格，算法也非常重要。

第三個框是沒有附加MFCC時的性能，錯誤率與低密度腦電圖網格類似，但優於之前的語音解碼嘗試。

第四個框是採用全連接網路的結果，對於卷積網路，全連接的錯詞率比之前高了8倍。但是在實驗中，作者發現，用全連接網路造成的錯詞率可以在高γ信號傳遞之前進行下采樣解決。

最後，作者對重復實驗是否影響錯詞率進行了量化。研究發現，當至少有15次重復訓練時候，錯詞率可以到25%以下。

如上圖所示，當訓練次數很少的時候，參與者a和參與者b的解碼性能很差，為了解決這個問題，作者嘗試了遷移學習。

上圖 a 中的第一個框用MOCHA-1數據訓練的結果，錯詞率為53%。考慮網路第一次針對參與者b的更豐富的數據集進行預訓練時的性能，這種遷移學習能使錯詞率降低約17%（上圖a中的第一個框到第二個框所示）。

作者還考慮了一種組合形式的遷移學習，其中編碼器-解碼器網路根據參與者b的所有MOCHA-TIMIT數據進行預訓練；然後針對參與者a的所有MOCHA-TIMIT數據進行訓練，像往常一樣在參與者a的MOCHA-1塊長進行測試。這種「雙重遷移學習」(圖a，第四條框)使錯詞率比基線降低了36%，與任務遷移學習相比有所改善。

那麼，改進是否以相反的方向轉移，即從參與者a轉移到參與者b，顯然是可以的，正如上圖b所示。

對於在MOCHA-TIMIT數據上表現最差的參與者d，將其餘的MOCHAT句子添加到訓練集並不能改善結果（如c圖所示）。

討論

很明顯，這項研究最大的不足之處就是——數據集太小，僅250個單詞，30~50個句子。

若想把這種技術擴展到通用自然語言上，則需要探索，到底需要多少數據才足夠，以及如何才能獲得足夠的數據。

事實上，如果能夠將腦電圖網格（ECoG）長期插入受試者腦中，可用的訓練數據量將比本實驗（僅收集了半個小時的數據）大幾個數量級。在實際應用中會遇到一些情況，有些人已經失去了說話能力，盡管如此，這種方法仍然可以適用，盡管性能會稍有下降。

這裡，AI 科技評論還想強調的一點是：機器翻譯的本質，就是從一種資訊序列映射到另一種資訊序列。特別是現在端到端的技術下，只要能夠將你的問題換種表述方式，轉換為序列到序列的映射問題，然後能收集到足夠多的訓練數據，那麼都可以借用現有的機器翻譯技術來做出巨大的改變。

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