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Decoding speech perception from non-invasive brain recordings

解码方法 计算机科学 语音识别 感知 集合(抽象数据类型) 神经解码 卷积神经网络 人工智能 自然语言处理 心理学 神经科学 电信 程序设计语言
作者
Alexandre Défossez,Charlotte Caucheteux,Jérémy Rapin,Ori Kabeli,King J
出处
期刊:Nature Machine Intelligence [Springer Nature]
卷期号:5 (10): 1097-1107 被引量:3
标识
DOI:10.1038/s42256-023-00714-5
摘要

Abstract Decoding speech from brain activity is a long-awaited goal in both healthcare and neuroscience. Invasive devices have recently led to major milestones in this regard: deep-learning algorithms trained on intracranial recordings can now start to decode elementary linguistic features such as letters, words and audio-spectrograms. However, extending this approach to natural speech and non-invasive brain recordings remains a major challenge. Here we introduce a model trained with contrastive learning to decode self-supervised representations of perceived speech from the non-invasive recordings of a large cohort of healthy individuals. To evaluate this approach, we curate and integrate four public datasets, encompassing 175 volunteers recorded with magneto-encephalography or electro-encephalography while they listened to short stories and isolated sentences. The results show that our model can identify, from 3 seconds of magneto-encephalography signals, the corresponding speech segment with up to 41% accuracy out of more than 1,000 distinct possibilities on average across participants, and with up to 80% in the best participants—a performance that allows the decoding of words and phrases absent from the training set. The comparison of our model with a variety of baselines highlights the importance of a contrastive objective, pretrained representations of speech and a common convolutional architecture simultaneously trained across multiple participants. Finally, the analysis of the decoder’s predictions suggests that they primarily depend on lexical and contextual semantic representations. Overall, this effective decoding of perceived speech from non-invasive recordings delineates a promising path to decode language from brain activity, without putting patients at risk of brain surgery.
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