用意念讓蟑螂乖乖聽(tīng)話的技術(shù)又有新進(jìn)展！“阿凡達(dá)”式腦-腦接口性能提升 2-3 個(gè)數(shù)量級(jí)

本文作者：付靜

2020-03-25 18:51

導(dǎo)語(yǔ)：信息傳遞的速率很低，是制約腦-腦接口發(fā)展的主要瓶頸。

可實(shí)現(xiàn)異體生物控制的「腦-腦接口」技術(shù)（BtBIs），如今越來(lái)越成熟了。

2020 年 3 月 20 日，北京生命科學(xué)研究所/清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院羅敏敏實(shí)驗(yàn)室在中國(guó)生命科學(xué)領(lǐng)域?qū)W術(shù)水平最高的國(guó)際知名刊物 SCIENCE CHINA Life Sciences 上發(fā)表了一篇題為 An optical brain-to-brain interface supports rapid information transmission for precise locomotion control（光學(xué)腦-腦接口支持用于精確運(yùn)動(dòng)控制的快速信息傳輸）的論文。

在這一論文中，研究團(tuán)隊(duì)介紹了作者利用光纖記錄和光遺傳學(xué)激活技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)光學(xué)腦-腦接口，并且在兩只小鼠間實(shí)現(xiàn)了高信息傳遞速率的運(yùn)動(dòng)信息傳遞，從而在原理上驗(yàn)證了腦-腦接口跨個(gè)體精確控制動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的可能性。

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光學(xué)腦-腦接口支持用于精確運(yùn)動(dòng)控制的快速信息傳輸

腦-腦接口這一概念，看過(guò)科幻電影《阿凡達(dá)》的人可能有點(diǎn)印象。在電影中，地球上的人可以通過(guò)腦對(duì)腦的直接信息傳遞，遠(yuǎn)程控制潘多拉星上經(jīng)基因改造的藍(lán)色類人生物 Na'vi 族。

通常來(lái)講，人與人之間、其他動(dòng)物之間的交流依賴于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)或觸覺(jué)等，但實(shí)際上腦-腦接口也可實(shí)現(xiàn)生物大腦之間的直接信息傳遞。不過(guò)，由于當(dāng)前技術(shù)上的限制，信息傳遞的速率很低，這也是制約腦-腦接口技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要瓶頸。

另外，羅敏敏實(shí)驗(yàn)室曾于近期發(fā)現(xiàn)，腦干未定核（NI）的一類表達(dá)神經(jīng)調(diào)節(jié)肽（Neuromedin B， NMB）的神經(jīng)元可控制運(yùn)動(dòng)速度、覺(jué)醒及與空間記憶相關(guān)的海馬 theta 波，相關(guān)論文于 2020 年 1 月 14 日發(fā)表在《Nature Communications》期刊。

簡(jiǎn)單來(lái)講，表達(dá) NMB 的神經(jīng)元在 NI 中的活性可精確地預(yù)測(cè)、控制運(yùn)動(dòng)速度。如下圖所示，表達(dá) NMB 的神經(jīng)元在 NI 中的活性與動(dòng)物運(yùn)動(dòng)速度、覺(jué)醒水平、及海馬 theta 波正相關(guān)。

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此次，研究團(tuán)隊(duì)在上述研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種光學(xué)腦-腦接口，在兩只小鼠（“Master”控制鼠和“Avatar”阿凡達(dá)鼠）間傳遞關(guān)于運(yùn)動(dòng)速度的信息，實(shí)現(xiàn)了以高信息傳遞速率精確、實(shí)時(shí)控制跨動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)。

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具體過(guò)程如下：

從阿凡達(dá)鼠 NI 表達(dá) NMB 的神經(jīng)元中提取了運(yùn)動(dòng)速度參數(shù)；
使用支持向量機(jī)（SVM，即一類對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二元分類的廣義線性分類器）訓(xùn)練的模型通過(guò)光學(xué)的方式實(shí)時(shí)記錄來(lái)自控制鼠 NI 的 Ca2+ （鈣離子）信號(hào)；
將其轉(zhuǎn)換成阿凡達(dá)鼠 NI 的圖案化光遺傳刺激，順利地指導(dǎo)了阿凡達(dá)鼠密切模仿控制鼠的運(yùn)動(dòng)。

值得一提的是，這一過(guò)程的信息傳遞速率達(dá)到了 4.1 bits/s，比基于電生理學(xué)的腦-腦接口的信息傳遞速率高出了 2-3 個(gè)數(shù)量級(jí)。

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【控制鼠與阿凡達(dá)鼠之間的信息傳遞速率】

此外，研究團(tuán)隊(duì)還強(qiáng)調(diào)了在提升腦-腦接口信息傳遞速率時(shí)，選擇合適的神經(jīng)環(huán)路及記錄、刺激工具的重要性。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，該實(shí)驗(yàn)最終實(shí)現(xiàn)了較高的信息傳遞速率，一方面是研究人員利用了 NI 中表達(dá) NMB 的神經(jīng)元來(lái)提取運(yùn)動(dòng)速度參數(shù)；另一方面，研究人員選擇利用光纖記錄系統(tǒng)記錄其變化。

關(guān)于腦-腦接口

近年來(lái)，我們或多或少都聽(tīng)到過(guò)一些有關(guān)「腦-機(jī)接口」的進(jìn)展。2017 年，特斯拉公司 CEO、SpaceX 公司 CEO 兼 CTO、太陽(yáng)城公司董事會(huì)主席埃隆·馬斯克建立了腦機(jī)接口公司 Neuralink。在該領(lǐng)域，各國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)也是頻頻刷新我們的認(rèn)知——2020 年 1 月 16 日，浙江大學(xué)更是宣布，國(guó)內(nèi)首例植入式腦-機(jī)接口臨床研究成功。

相比之下，腦-腦接口可以說(shuō)還是離大眾比較遙遠(yuǎn)。

雷鋒網(wǎng)了解到，腦-腦接口由兩部分組成——從源腦的神經(jīng)活動(dòng)中檢索有用信息的解碼器，和將源信息轉(zhuǎn)換成目標(biāo)腦中神經(jīng)元活動(dòng)的適當(dāng)變化的編碼器。

實(shí)際上早在 2013 年，就有科學(xué)家提出，腦-腦接口可實(shí)現(xiàn)生物大腦之間的直接信息傳遞。當(dāng)時(shí)，科學(xué)家初步證明，通過(guò)以多種方式記錄從源腦中獲取的電生理信號(hào)，然后通過(guò)皮層內(nèi)電微刺激（ICMS）影響目標(biāo)腦的神經(jīng)元活動(dòng)，A 動(dòng)物能夠模仿 B 動(dòng)物的行為，偏差率僅僅在 10% 上下浮動(dòng)。由此，腦-腦接口這一令人興奮的概念便出現(xiàn)了。

此后幾年里，幾項(xiàng)研究通過(guò)非侵入性技術(shù)，比如腦電描記法（EEG，用腦電圖儀將腦的自發(fā)性生物電活動(dòng)顯示出來(lái)并根據(jù)其特點(diǎn)和變化來(lái)檢查腦功能的一種方法）和經(jīng)顱磁刺激（TMS，一種無(wú)痛、無(wú)創(chuàng)的綠色治療方法，磁信號(hào)可以無(wú)衰減地透過(guò)顱骨而刺激到大腦神經(jīng)），在 2 個(gè)或 3 個(gè)人類受試者之間實(shí)現(xiàn)腦-腦接口，使得受試者能夠感受其他受試者的感知或想要移動(dòng)手指的意圖。

此外，還有研究表明，利用 EEG 從人腦提取運(yùn)動(dòng)命令，通過(guò)電刺激或聚焦超聲，可將運(yùn)動(dòng)命令傳遞到蟑螂或老鼠的大腦。

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然而，正如上文所述，腦-腦接口需要通過(guò)腦電多通道記錄，技術(shù)難度大，同時(shí)腦電波記錄難以精確解碼，因此信息傳遞速率低。

不過(guò)，羅敏敏實(shí)驗(yàn)室的這一研究，無(wú)疑又為腦-腦接口領(lǐng)域的研究找到了新的突破口。

關(guān)于羅敏敏

看到這里，可能有人想問(wèn)：羅敏敏是誰(shuí)？

實(shí)際上，羅敏敏博士是一位北京生命科學(xué)研究所資深研究員。自 2005 年在北京生命科學(xué)研究所建立實(shí)驗(yàn)室以來(lái)，他已經(jīng)以通訊作者或第一作者的身份，在眾多國(guó)際學(xué)術(shù)期刊（如《科學(xué)》《細(xì)胞》《神經(jīng)元》《美國(guó)科學(xué)院院刊》等）上發(fā)表學(xué)術(shù)論文 40 余篇，論文被引用次數(shù)超過(guò) 2200 次。

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雷鋒網(wǎng)了解到，除了 2 個(gè)神經(jīng)生物學(xué)研究方向（嗅覺(jué)信號(hào)在哺乳動(dòng)物腦中的編碼，和一些基本的動(dòng)物行為在神經(jīng)環(huán)路水平上的生理機(jī)制）外，其實(shí)羅敏敏博士還是一位“雜學(xué)家”，本科曾學(xué)習(xí)心理學(xué)，也對(duì)人工智能、物理學(xué)等領(lǐng)域表示過(guò)興趣。羅敏敏實(shí)驗(yàn)室還開(kāi)發(fā)了電生理、化學(xué)方面的很多儀器。

此外，羅敏敏博士也在嘗試挑戰(zhàn)神經(jīng)生物領(lǐng)域廣泛關(guān)注但爭(zhēng)議頗大的 5-羥色胺。實(shí)際上，5-羥色胺即血清素，為一種抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，幾乎能影響到大腦活動(dòng)的每一個(gè)方面，比如調(diào)節(jié)情緒、精力、記憶力甚至人生觀的塑造等。一些抗抑郁藥正是通過(guò)提升這種神經(jīng)遞質(zhì)在腦內(nèi)的水平而起作用的。

毫無(wú)疑問(wèn)，科研的過(guò)程并非一帆風(fēng)順，但羅敏敏博士一直激勵(lì)自己：