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監督式與閉迴路重新校準——及其上限

在進入非監督式前沿之前,先了解讓慢性腦機介面得以實用的主力工具:基於意圖的重新標記與閉迴路解碼器適應。

將其視為分布偏移

把這一切想清楚的乾淨方式是:訓練與部署取自不同的分布。用機器學習的語言來說,這是共變量偏移,而更棘手的是類別條件編碼本身的漂移。

p_0(\mathbf x\mid y)\;\neq\;p_t(\mathbf x\mid y),\qquad p_t(y\mid\mathbf x)=\frac{p_t(\mathbf x\mid y)\,p(y)}{\int p_t(\mathbf x\mid y')\,p(y')\,dy'}

神經非平穩性是編碼 p_t(x|y) 的漂移。固定解碼器暗中假設第 0 天的後驗 p_0(y|x);一旦編碼移動,該後驗便被錯誤設定。

留意偏移的方向。在電腦視覺中,共變量偏移通常指輸入 p(x) 移動、而標記規則 p(y\mid x) 固定。但在腦機介面中,是編碼 p_t(\mathbf x\mid y) 在移動——同一個意圖隨時間產生不同的神經特徵。這正是為何一般的領域適應配方,必須注入神經領域特有的結構,在此才可能奏效。

基於意圖的重新標記:ReFIT 與 CLDA

讓皮質內游標控制變得穩健的突破,在於認識到:你往往不必詢問就知道標籤。若使用者正試圖擊中一個可見目標,他們每一瞬間的意圖速度都指向那個目標。ReFIT正是利用這一點。

\hat{\mathbf v}_t=\lVert\mathbf v_t\rVert\;\frac{\mathbf p^{\text{target}}-\mathbf p_t}{\lVert\mathbf p^{\text{target}}-\mathbf p_t\rVert}

ReFIT 的意圖估計:將觀測到的游標速度旋轉為直指已知目標,同時保留其速率。這從任務結構中製造出自我監督的標籤,無須額外的校準區塊。

有了這些推得的標籤,你便重新擬合卡爾曼濾波器——這個「以回饋意圖重新校準訓練」的步驟正是 ReFIT 名稱的由來。閉迴路解碼器適應(CLDA)將此概念一般化:在使用當下,依持續推得的意圖更新解碼器參數,使解碼器追蹤緩慢變化,而不必等待下一個校準區塊。

共適應:兩個學習者、一個迴路

一旦解碼器在線上適應、而使用者同時也在學習,你就有了單一回饋迴路中的兩個適應系統——即雙學習者問題。做得好,共適應是一個良性循環:使用者塑造出穩定、可解碼的策略,而解碼器也走到中途與之會合。做得不好,兩者則互相追逐,直到陷入不穩定。

監督式重新校準的上限

為何不就此打住?因為監督式的閉迴路重新校準有一道由三項限制構成的上限。第一,重新校準負擔從未完全消失——CLDA 減輕、但未消除對結構化任務與偶爾真實標記的需求。第二,它假設存在可解碼的標籤來源;而我們最終想解碼的許多對象——情緒、記憶、自由認知——並沒有可供推斷意圖的可見目標。第三,它能良好追蹤緩慢漂移,卻難以應付突發變化:一個鬆脫的陣列接頭、一夜之間單元群體的跳變。

這是一次向前沿的誠實交棒。閉迴路監督式方法已然成熟、已被部署,且在有已知任務的緩慢漂移上確實表現優異。而超出這一切的部分——免標籤、免任務、對突發變化穩健——正是近幾年研究所在,也是本主題其餘部分要前往之處。