人機介面新發現!睡著後,大腦會回播清醒時的經歷

作者 | 發布日期 2020 年 05 月 16 日 0:00 | 分類 生物科技 Telegram share ! follow us in feedly


入睡後,我們的大腦會進入離線狀態,開啟 Replay 模式,重現清醒時的經歷,記憶便得以鞏固。

之前科學家僅在囓齒動物等非人類動物身上觀察到過這個過程,而在一項人機介面的試點臨床試驗中,美國麻省總醫院、哈佛醫學院、布朗大學、加州大學聖地亞哥分校等院所的一組科研人員首次在 2 名人類參與者的大腦運動皮質中觀察到了習得神經放電序列的重放過程。

當地時間 2020 年 5 月 5 日,《細胞‧報告》(Cell Reports)期刊線上發表了該團隊題為《Replay of Learned Neural Firing Sequences during Rest in Human Motor Cortex(睡眠時人類大腦運動皮質習得神經放電序列的重放)》的論文。

將感測器置於大腦皮質

我們的大腦做為人體神經系統的最高級部分,左右兩個大腦半球表面都有著一層灰質,也就是我們常說的「大腦皮質」(cerebral cortex)。

大腦皮層的地位不容小覷。大腦皮層約有 140 億個神經細胞,是思維的器官,主導機體內的一切活動過程,並有著調節機體與周圍環境平衡的作用,因此大腦皮層可謂是人類高級神經活動的物質基礎。

而在大腦皮層中,有一塊參與計劃、控制和執行自主運動的區域,也就是「運動皮質」(Motor cortex)。

上述研究團隊的人機介面試點臨床試驗就是從運動皮質為切入點展開的──研究人員在參與者的大腦中各長期放置了 2 個 1.5 公釐的 96 通道矽微電極陣列(96-channel silicon microelectrode arrays)。

實際上,就為什麼採取矽微電極陣列,論文合著者之一 Beata Jarosiewicz 表示:

用於治療帕金森氏症等病症的電極太大,無法追蹤單個神經元的峰值活動。但我們臨床試驗中使用的電極陣列是第一個允許在人類大腦中進行如此詳細的神經記錄的電極陣列。僅僅是在這一點上,我們的研究都是史無前例的。

據了解,2 位參與者均為四肢癱瘓,目前需要依靠呼吸機生活,但仍可以說話。其中,參與者 T9 在參與這項研究前植入矽微電極陣列已有 11 個月,T10 在參與這項研究前植入矽微電極陣列有 3 個月。

透過 2 位參與者大腦運動皮質的放電活動,研究人員試圖尋找「特定學習相關的神經放電速率序列的離線重放」(offline replay of specific learning-related neural firing rate sequences)的直接證據。

經由美國臨床試驗數據庫 ClinicalTrials 了解到,這項試驗名為 BrainGate2,而上述矽微電極陣列也被稱為 BrainGate2 感測器(BrainGate2 sensor)。這項試驗旨在推動人機介面技術的開發,進而使四肢癱瘓的患者能夠利用其神經活動控制電腦、機器手臂等設備,其主要終點是確定 BrainGate2 神經接口系統的安全性,次要終點是確定 BrainGate2 的可行性,並為後續的大型臨床研究建立參數。

從下圖可以看出,這項試驗始於 2009 年 5 月,最終完成時間預計在 2022 年 12 月。研究人員至少每週會對參與者進行一次神經記錄,持續記錄時間至少 1 年。

(Source:ClinicalTrials.gov

以想像的方式參與遊戲

實際上,試驗的過程可以用下面這幅圖表示。

(Source:Cell Reports

具體來講,2 名參與者參與了一個「序列複製遊戲」(sequence-copying game),這個遊戲類似於 80 年代的一款名為《西蒙》(REPEAT)的記憶遊戲,遊戲影片中有 4 個彩色板塊,按不同的順序點亮,玩家需要重複特定的順序,再次點亮色塊。

而試驗中這個遊戲的特別之處就在於,不需要參與者移動手臂,只需用他們的思維來想像他們在用手控制滑鼠快速移動,又快又準地按記憶的順序擊中正確的色塊。

據悉,研究人員要求參與者在玩遊戲(約 20 分鐘)的前後都小睡一會兒(各 20-30 分鐘),在休息─玩遊戲─休息的過程中,研究人員便透過 BrainGate2 感測器記錄下了參與者大腦中大量神經元的峰值活動。

(Source:Cell Reports

基於上述特點,要判斷 BrainGate2 是否可靠,重複(repeat)與控制(control)序列的數量是重要的衡量標準。根據論文,整個過程中有 66 次呈現重複序列,22 次控制序列。

試驗表明,從遊戲前休息到遊戲後休息,重複序列相關性比控制序列相關性增加得要多;同時遊戲時和遊戲後休息期間參與者大腦的神經元放電模式相同,這就是人腦睡眠時「離線重播」的直接證據。

正如 Beata Jarosiewicz 所說:

這是第一個直接證明人類在睡眠中大腦會回播清醒時的學習的證據,這可能有助於鞏固記憶。我們已經在其他動物身上研究了幾十年與大腦回播相關的記憶鞏固機制,實際上這也適用於人類。

值得一提的是,該研究團隊來自 BrainGate──一個專注於發展修復性神經接口的科學與醫學的學術研究聯盟,其成員包括布朗大學、麻省總醫院、凱斯西儲大學和史丹佛大學,與 NeuraLink 公司(由馬斯克建立)和 Kernel 公司一起,位列美國侵入式腦機接口研究領域的第一梯隊。

就未來的研究方向而言,該團隊希望可以探索大腦重現機制與記憶形成之間的潛在聯繫。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:shutterstock)

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