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脑机接口新发现!睡着后,大脑会回放清醒时的经历

2020/5/7 19:06:48来源:雷锋网作者:付静责编:远洋评论:

入睡后,我们的大脑会进入离线状态,开启 Replay 模式,重现清醒时的经历,记忆便得以巩固。

此前科学家仅在啮齿动物等非人类动物身上观察到过这一过程,而在一项脑-机接口的试点临床试验中,美国麻省总医院、哈佛医学院、布朗大学、加州大学圣地亚哥分校等院所的一组科研人员首次在 2 名人类参与者的大脑运动皮层中观察到了习得神经激发序列的重放过程。

当地时间 2020 年 5 月 5 日,《细胞·报告》(Cell Reports)期刊在线发表了该团队题为 Replay of Learned Neural Firing Sequences during Rest in Human Motor Cortex(睡眠时人类大脑运动皮层习得神经激发序列的重放)的论文。

将传感器置于大脑皮层

我们的大脑作为人体神经系统的最高级部分,左右两个大脑半球表面都有着一层灰质,也就是我们常说的「大脑皮层」(cerebral cortex)。

雷锋网(公众号:雷锋网)了解到,大脑皮层的地位不容小觑。大脑皮层约有 140 亿个神经细胞,是思维的器官,主导机体内的一切活动过程,并起着调节机体与周围环境的平衡的作用,因此大脑皮层可谓是人类高级神经活动的物质基础。

而在大脑皮层中,有一块参与计划、控制和执行自主运动的区域,也就是「运动皮层」(Motor cortex)。

上述研究团队的脑-机接口试点临床试验就是从运动皮层为切入点展开的——研究人员在参与者的大脑中各长期放置了两个 1.5 毫米的 96 通道硅微电极阵列(96-channel silicon microelectrode arrays)。

实际上,就为什么采取硅微电极阵列,论文合著者之一 Beata Jarosiewicz 表示:

用于治疗帕金森氏症等病症的电极太大,无法追踪单个神经元的峰值活动。但我们临床试验中使用的电极阵列是第一个允许在人类大脑中进行如此详细的神经记录的电极阵列。仅仅是在这一点上,我们的研究都是史无前例的。

据了解,两位参与者均为四肢瘫痪,目前需要依靠呼吸机生活,但仍可以说话。其中,参与者 T9 在参与这项研究前植入硅微电极阵列已有 11 个月,T10 在参与这项研究前植入硅微电极阵列有 3 个月。

通过两位参与者大脑运动皮层的放电活动,研究人员试图寻找「特定学习相关的神经放电速率序列的离线重放」(offline replay of specific learning-related neural firing rate sequences)的直接证据。

雷锋网通过美国临床试验数据库 ClinicalTrials 了解到,这项试验名为 BrainGate2,而上述硅微电极阵列也被称为 BrainGate2 传感器(BrainGate2 sensor)。这项试验旨在推动脑-机接口技术的开发,从而使四肢瘫痪的患者能够利用其神经活动控制计算机、机械臂等设备,其主要终点是确定 BrainGate2 神经接口系统的安全性,次要终点是确定 BrainGate2 的可行性,并为后续的大型临床研究建立参数。

从下图可以看出,这项试验始于 2009 年 5 月,最终完成时间预计在 2022 年 12 月。研究人员至少每周会对参与者进行一次神经记录,持续记录时间至少一年。

以想象的方式参与游戏

实际上,试验的过程可以用下面这幅图形象地表示。

具体来讲,两名参与者参与了一个「序列复制游戏」(sequence-copying game),这个游戏类似于八十年代的一款名为《西蒙》(REPEAT)的记忆游戏,游戏视频中有四个彩色板块,按不同的顺序点亮,玩家需要重复特定的顺序,再次点亮色块。

脑机接口新发现!睡着后,大脑会回放清醒时的经历

而试验中这一游戏的特别之处就在于,不需要参与者移动手臂,只需用他们的思维来想象他们在用手控制光标快速移动,又快又准地按记忆的顺序击中正确的色块。

据悉,研究人员要求参与者在玩游戏(约 20 分钟)的前后都小睡一会儿(各 20-30 分钟),在休息-玩游戏-休息的过程中,研究人员便通过 BrainGate2 传感器记录下了参与者大脑中大量神经元的峰值活动。

基于上述特点,要判断 BrainGate2 是否可靠,重复(repeat)与控制(control)序列的数量是重要的衡量标准。根据论文,整个过程中有 66 次呈现重复序列,22 次控制序列。

试验表明,从游戏前休息到游戏后休息,重复序列相关性比控制序列相关性增加得要多;同时游戏时和游戏后休息期间参与者大脑的神经元放电模式相同,这就是人脑睡眠时“离线重播”的直接证据。

正如 Beata Jarosiewicz 所说:

这是第一个直接证明人类在睡眠中大脑会回放清醒时的学习的证据,这可能有助于巩固记忆。我们已经在其他动物身上研究了几十年与大脑回放相关的记忆巩固机制,实际上这也适用于人类。

值得一提的是,该研究团队来自 BrainGate——一个专注于发展修复性神经接口的科学与医学的学术研究联盟,其成员包括布朗大学、麻省总医院、凯斯西储大学和斯坦福大学,与NeuraLink 公司(由马斯克建立)和 Kernel 公司一起,位列美国侵入式脑机接口研究领域的第一梯队。

就未来的研究方向而言,该团队希望可以探索大脑重现机制与记忆形成之间的潜在联系。

参考

  • https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(20)30530-1

  • https://baike.baidu.com/item/%E5%A4%A7%E8%84%91/791360?fr=aladdin

  • https://www.clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT00912041

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关键词:脑机接口

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