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平衡覺,以及聆聽那位聆聽者

前庭義肢把頭部運動寫回平衡神經;聽覺注意力解碼則讀取大腦,以導引耳朵接收到的內容。兩條前沿,同一個迴路。

恢復運動的感覺

雙側前庭功能低下的人失去了穩定注視與姿勢的反射;他們承受慢性失衡與振動幻視——移動時世界會晃動。前庭義肢 借用人工電子耳的劇本:MEMS 陀螺儀感測頭部角速度,該訊號被編碼到脈衝序列上,送往三個半規管的壺腹神經,目標是恢復前庭-眼反射(VOR)。

G = -\frac{\dot{\theta}_{\text{eye}}}{\dot{\theta}_{\text{head}}}, \qquad G \to 1

VOR 增益:眼睛必須以頭部的角速度反向轉動,才能讓影像維持穩定。一個能運作的義肢會把量測到的增益驅回接近 1。

基線問題與半規管串音

這裡有一個耳蝸所沒有的轉折:前庭傳入神經有很高的自發放電率,並靠在該基線上下雙向調變來編碼方向。因此義肢必須先以恆定刺激建立一個張力性基線,再對它進行調變——若沒有低於基線放電的餘裕,你就無法表徵一次向左的轉動。

r(t) = \operatorname{clip}\!\bigl(r_0 + k\,\dot{\theta}_{\text{head}}(t),\; 0,\; r_{\max}\bigr)

速率調變編碼:頭部角速度使傳入放電在張力性基線 r₀ 上下移動,並在安全速率上限處飽和。

讀取端:解碼你正在聆聽誰

以上談的全是寫入。但聽覺前沿還有一條強大的讀取分支。在人聲鼎沸的房間裡,聆聽者會專注於某一位說話者;皮質對該說話者言語波封的追蹤,比對其他人更強。中樞聽覺解碼——即聽覺注意力解碼——從神經活動中重建被關注的波封,讓裝置得以推斷你正試圖聆聽的是哪一個嗓音。

\hat{s}(t) = \sum_{\tau} g(\tau)\, r(t-\tau), \qquad \text{attended} = \arg\max_i\, \rho\bigl(\hat{s},\, s_i\bigr)

一個逆向(刺激重建)解碼器把神經反應 r 映射到估計波封 ŝ;被關注的說話者,就是其真實波封與重建結果相關最高的那一位。

把迴路閉合,你就得到一個由認知控制的聽覺裝置:讀出被關注的說話者,再導引波束成形器去放大正是那個嗓音。這是把 讀寫不對稱 轉為優勢——在這裡讀取比寫入容易,而它讓寫入端(助聽器或植入)變得更聰明。這仍是實驗室結果:解碼需要數秒的資料,說話者一多就變差,而在日常生活中穩健的即時運作尚未解決。相關的被動注意力構想,連結到更廣的 注意力與工作負荷 BCI 文獻。