加州大學(xué)圣迭戈分校的研究人員建立了一個機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)，可以預(yù)測鳥兒唱什么。這項研究最大的創(chuàng)新是為“聲帶假體”提供“實(shí)時語音合成”，但還遠(yuǎn)不止于此。教AI理解這些聲音是訓(xùn)練中很重要的一步，這些系統(tǒng)可以取代生物學(xué)上的人類聲音。

與人類自然的從「想到」到「說出」模式相比，當(dāng)前最先進(jìn)的語音轉(zhuǎn)換系統(tǒng)也很慢。

當(dāng)前頂尖的NLP系統(tǒng)還在努力跟上人類的思維速度。

比如，與谷歌助手或Alexa虛擬助手互動時，通常停頓時間會比你預(yù)期的長，不能實(shí)現(xiàn)與真實(shí)的人交談的流暢度。

AI需要時間處理你的語音，它要確定每個單詞對它來說意味著什么，是否在它的能力范圍之內(nèi)，然后找出哪些軟件包或程序可以訪問和部署，最后再輸出理解結(jié)果。

從宏觀的角度來看，這些基于云計算的系統(tǒng)運(yùn)行速度已經(jīng)很快了，但仍然不足以給不會說話的人創(chuàng)造一個無縫接口，讓他們以思維的速度「發(fā)出聲音」。

從鳥鳴研究開始

「鳴鳥」（一種鳥）是研究復(fù)雜「發(fā)聲行為」的一個很有吸引力的模型。

鳥鳴與人類語言有許多獨(dú)特的相似之處，對它的研究使人們對學(xué)習(xí)、執(zhí)行和維持發(fā)聲運(yùn)動技能背后的多種機(jī)制和電路有了普遍的認(rèn)識。

此外，產(chǎn)生鳥鳴的生物力學(xué)與人類和一些非人類靈長類動物有相似之處。

在這項新的研究中，研究小組在12只斑胸草雀的大腦中植入電極，然后開始記錄它們唱歌。

但是僅僅訓(xùn)練人工智能識別鳥鳴時的神經(jīng)活動是不夠的，即使是鳥類的大腦也太過復(fù)雜，無法完整地描繪出神經(jīng)元之間的交流方式。

因此，研究人員訓(xùn)練了另一個系統(tǒng)，將實(shí)時歌曲減少到AI可以識別的模式。

在這項研究中，研究人員展示了一個用于鳥鳴的聲樂合成器，通過將植入運(yùn)動前核HVC的電極陣列記錄的神經(jīng)群體活動映射到鳥鳴的低維壓縮表征上，使用可實(shí)時實(shí)施的簡單計算方法來實(shí)現(xiàn)。

使用鳥類發(fā)聲器官（即syrinx，鳴管）的生成性生物力學(xué)模型作為這些映射的低維目標(biāo)，可以合成符合鳥類自身歌聲的聲音。

這些結(jié)果提供了一個概念證明：高維的、復(fù)雜的自然行為可以「直接」從正在進(jìn)行的神經(jīng)活動中合成。這可能會啟發(fā)其他物種通過利用外圍系統(tǒng)的知識和其輸出的時間結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)類似的假體方法。

實(shí)驗描述

該研究描述了兩種從斑胸草雀（Taeniopygia guttata）運(yùn)動前核記錄的神經(jīng)活動中合成真實(shí)發(fā)聲信號的方法。每種方法都利用了發(fā)聲運(yùn)動過程的一個不同特征。

首先，研究人員利用了對鳥鳴產(chǎn)生的生物力學(xué)的理解，采用了一個發(fā)聲器官的生物力學(xué)模型，該模型在低維參數(shù)空間中捕捉到了大部分鳥鳴的光譜-時間復(fù)雜性（spectro-temporal complexity）。

與歌曲的完整時頻表示相比，這種降維能夠訓(xùn)練一個淺層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FFN），將神經(jīng)活動映射到模型參數(shù)上。

作為第二種合成方法，研究人員利用了神經(jīng)活動和歌曲之間的時間協(xié)方差中的預(yù)測成分，這可以由一個直接在聲樂輸出的頻域表示（頻譜圖）上訓(xùn)練的遞歸、長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（LSTM）學(xué)習(xí)。

每個合成的神經(jīng)元輸入來自感覺-運(yùn)動核HVC，那里的神經(jīng)元產(chǎn)生高層次的指令，驅(qū)動學(xué)習(xí)歌曲的產(chǎn)生。

成年斑胸草雀單獨(dú)演唱由3-10個音節(jié)序列組成的固定主題歌曲。

唱歌時，多種HVC神經(jīng)元亞型的活動受到調(diào)節(jié)：針對X區(qū)和RA區(qū)的投射神經(jīng)元（HVCx/RA）在某個主題歌曲期間表現(xiàn)出短、精確、稀疏的活動爆發(fā)，而抑制性中間神經(jīng)元（HVCI）在唱歌時顯示出更多的tonic活動。

為了獲得合奏的HVC活動和聲音輸出，我們在雄性成年斑胸草雀（>120天大）身上植入了16-channel或32-channel的Si探頭，并在每只鳥唱歌時同時記錄細(xì)胞外電壓（n=4只鳥，每次70-120個發(fā)聲主題）。

使用Kilosort對神經(jīng)記錄進(jìn)行自動分類，并進(jìn)行人工整理以排除噪音。

根據(jù)違反折返期（refractory period violations）的數(shù)量，非噪聲集群被分為單個單位活動SUA（single-unit activity）或多單位活動（single- or multi-unit activity，MUA），并根據(jù)唱歌時活動的稀疏程度，推測為投射或中間神經(jīng)元。

錄音以MUA群（n = 88）和HVC中間神經(jīng)元（HVCI；n = 29）為主，相對較少的推測投影神經(jīng)元（HVCx/RA；n = 15）。Figure 1A顯示了與歌曲對齊的神經(jīng)活動直方圖的例子。Figure S1顯示了每只鳥的集群數(shù)量的光柵示例。

具有生物力學(xué)意義的壓迫增強(qiáng)神經(jīng)驅(qū)動的合成

通過神經(jīng)活動合成復(fù)雜的運(yùn)動序列需要兩個高維表征之間的映射。為了降低問題的維數(shù)，我們利用了一個鳥類發(fā)聲器官的「生物力學(xué)模型」，該模型將神經(jīng)活動轉(zhuǎn)化為發(fā)聲輸出。

該模型考慮了鳴管和聲道的功能，鳴管包含唇褶（labial folds），當(dāng)受到亞鳴管氣囊的壓力時，唇褶會振蕩，并調(diào)節(jié)氣流發(fā)出聲音(Figure 1B）。

唇的動態(tài)可以按照非線性振蕩器的運(yùn)動方程進(jìn)行建模，其中產(chǎn)生的聲音的特征由兩個時間變化的參數(shù)決定，代表生理上的運(yùn)動指令。

為了通過生物力學(xué)模型從神經(jīng)活動中合成歌曲，首先要擬合模型的參數(shù)，生成每種發(fā)聲的合成版本。

每次訓(xùn)練中，我們隨機(jī)選擇60%的模體進(jìn)行訓(xùn)練，將每個模體分成5毫秒的單元，然后訓(xùn)練一個單隱層的FFNN，在50毫秒內(nèi)獨(dú)立于神經(jīng)活動預(yù)測每個單元相應(yīng)的生物力學(xué)模型參數(shù)。神經(jīng)活動用每個簇的平均放電速率表示，分成1-ms 的單元。

為了避免引入時間相關(guān)性，研究人員將每對神經(jīng)活動窗口和目標(biāo)模型參數(shù)呈現(xiàn)給網(wǎng)絡(luò)的順序隨機(jī)化。通過訓(xùn)練，預(yù)測神經(jīng)活動測試集對應(yīng)的生物力學(xué)模型參數(shù)值，并將模型的微分方程積分得到神經(jīng)驅(qū)動合成歌曲的每一個單元。

這就產(chǎn)生了合成的發(fā)聲效果，聽起來和鳥類自己的聲音很相似。

相反，用FFNN直接預(yù)測歌曲的頻譜-時間特征會導(dǎo)致低質(zhì)量的合成。研究人員訓(xùn)練了一個與之前類似的網(wǎng)絡(luò)，但以歌曲的頻譜成分為目標(biāo)，即以64個頻段的功率為代表。

以這種方式為每只鳥合成的歌曲的例子（Figure 3; Audio S1, S2, S3, and S4）顯示了FFNN如何未能產(chǎn)生斑胸草雀歌曲中典型的定義明確的諧波堆，以及如何忠實(shí)地再現(xiàn)聲帶的起伏。

與光譜-時間系數(shù)相比，F(xiàn)FNN 預(yù)測模型參數(shù)的能力不同（(Figures 2, 3, and 4），表明降低行為的維度可以增強(qiáng)預(yù)測能力。為了證實(shí)這一點(diǎn)，研究人員訓(xùn)練了FFNN來重現(xiàn)行為的不同「壓縮」，即譜圖的前3個主成分（PC）。

從神經(jīng)活動中預(yù)測3個PC值的表現(xiàn)與預(yù)測生物力學(xué)模型參數(shù)的表現(xiàn)相似（Figure S4A）。后者的優(yōu)勢在于其生成能力，可以產(chǎn)生與BOS更相似的歌曲。

未能準(zhǔn)確預(yù)測鳥類主題的光譜系數(shù)可能反映了這個模型無法捕捉更復(fù)雜的跨響應(yīng)群的時間動態(tài)，在特定的發(fā)聲之前。

為了捕捉這些動態(tài)，研究人員訓(xùn)練了一個LSTM，直接從前面50毫秒的神經(jīng)活動中預(yù)測歌曲的頻譜成分(64個頻帶)，使用與前面部分描述的相同的輸入和輸出數(shù)據(jù)。與 FFNN 不同，LSTM 產(chǎn)生一個神經(jīng)驅(qū)動的歌曲合成，聽起來類似于預(yù)期的鳥自己的歌曲（Figure 3; Audio S1, S2, S3,及S4）

由于雄性斑胸草雀的種類有限，這可能意味著可以通過相對簡單的方法實(shí)現(xiàn)直接合成。然而，由于 FFNN 的損失函數(shù)接近于正則化的非線性回歸，因此與所有其他方法相比，它預(yù)測出的歌曲質(zhì)量較差。原因尚不完全清楚，但它可能反映了數(shù)據(jù)集的神經(jīng)元亞型組成。

該研究演示了一個復(fù)雜通信信號的BMI，使用計算塊，可以在一個建立的動物模型中實(shí)時實(shí)現(xiàn)，用于產(chǎn)生和學(xué)習(xí)復(fù)雜的聲音行為。該方法的優(yōu)勢在于能夠找到行為的低維參量化，這種方式可以通過記錄相對較小的樣本(幾十個)神經(jīng)元的活動來驅(qū)動。這樣做與記錄從表面位于細(xì)胞 HVC 可以通過侵入性較小的微電極陣列，不僅能夠分辨 LFP，這已被證明適合BMI,還有 SUA 和 MUA。

這提供了一個新穎的工具來探索「神經(jīng)回路基礎(chǔ)」的產(chǎn)生，獲取和保持聲音通信信號，并解鎖進(jìn)入新的模型和實(shí)驗，旨在了解神經(jīng)元的活動是如何轉(zhuǎn)化為自然行為，以及如何外圍效應(yīng)塑造行為的神經(jīng)基礎(chǔ)。

該方法也為「聲帶修復(fù)」策略提供了一個試驗場。雖然鳥鳴聲與人類語言有很多明顯的區(qū)別，但兩種語言系統(tǒng)有很多相似之處，包括「連續(xù)組織」的特點(diǎn)和「習(xí)得」策略，神經(jīng)元組織和功能的類比,遺傳基礎(chǔ),以及發(fā)聲的物理機(jī)制，實(shí)驗的可達(dá)性、對神經(jīng)系統(tǒng)和外周系統(tǒng)的相對先進(jìn)的理解，以及作為發(fā)聲和學(xué)習(xí)的發(fā)達(dá)模型的地位，這都使鳴鳥成為一個有吸引力的動物模型，以促進(jìn)語音BMI（speech BMI），很像運(yùn)動BMI的非人靈長類動物模型。

該論文原始數(shù)據(jù)、代碼資源均已開放。

論文作者之一Shukai Chen，目前是加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校生物工程學(xué)院在讀博士，研究方向為計算神經(jīng)科學(xué)。

語音BMI鋪墊DL再次復(fù)興

該實(shí)驗確實(shí)為一個突出的問題提供了解決方案。實(shí)時處理鳥鳴令人印象深刻，用人類語言復(fù)制這些結(jié)果將會令人驚奇。

但是，這項研究仍處于早期階段，不一定適用于其他語音系統(tǒng)。為了讓它運(yùn)行得足夠快，研究人員利用語音分析這一捷徑，當(dāng)把它擴(kuò)展到鳥鳴以外時，這個捷徑可能就不起作用了。

但隨著進(jìn)一步的發(fā)展，這可能是自2014年「深度學(xué)習(xí)復(fù)興」以來「腦機(jī)接口」的第一次巨大的技術(shù)飛躍。

參考資料：

https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(21)00733-8?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0960982221007338%3Fshowall%3Dtrue#%20

https://thenextweb.com/news/researchers-created-brain-interface-sing-what-birds-think

本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號“新智元“（ID：AI_era），來源：CELL，編輯LQ。文章為作者獨(dú)立觀點(diǎn)，不代表芥末堆立場，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者。