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“阿凡达”式脑-脑接口性能提升 2-3 个数量级

脑-脑接口这一概念,看过科幻电影《阿凡达》的人可能有点印象。在电影中,地球上的人可以通过脑对脑的直接信息传递,远程控制潘多拉星上经基因改造的蓝色类人生物 Na'vi 族。

作者:付静来源:雷锋网|2020-03-26 10:42

本文转自雷锋网,如需转载请至雷锋网官网申请授权。

可实现异体生物控制的「脑-脑接口」技术(BtBIs),如今越来越成熟了。

2020 年 3 月 20 日,北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院罗敏敏实验室在中国生命科学领域学术水平最高的国际知名刊物 SCIENCE CHINA Life Sciences 上发表了一篇题为 An optical brain-to-brain interface supports rapid information transmission for precise locomotion control(光学脑-脑接口支持用于精确运动控制的快速信息传输) 的论文。

在这一论文中,研究团队介绍了作者利用光纤记录和光遗传学激活技术构建了一个光学脑-脑接口,并且在两只小鼠间实现了高信息传递速率的运动信息传递,从而在原理上验证了脑-脑接口跨个体精确控制动物运动的可能性。

用意念让蟑螂乖乖听话的技术又有新进展!“阿凡达”式脑-脑接口性能提升 2-3 个数量级

光学脑-脑接口支持用于精确运动控制的快速信息传输

脑-脑接口这一概念,看过科幻电影《阿凡达》的人可能有点印象。在电影中,地球上的人可以通过脑对脑的直接信息传递,远程控制潘多拉星上经基因改造的蓝色类人生物 Na'vi 族。

通常来讲,人与人之间、其他动物之间的交流依赖于视觉、听觉、嗅觉或触觉等,但实际上脑-脑接口也可实现生物大脑之间的直接信息传递。不过,由于当前技术上的限制,信息传递的速率很低,这也是制约脑-脑接口技术发展的一个主要瓶颈。

另外,罗敏敏实验室曾于近期发现,脑干未定核(NI)的一类表达神经调节肽(Neuromedin B, NMB)的神经元可控制运动速度、觉醒及与空间记忆相关的海马 theta 波,相关论文于 2020 年 1 月 14 日发表在《Nature Communications》期刊。

简单来讲,表达 NMB 的神经元在 NI 中的活性可精确地预测、控制运动速度。如下图所示,表达 NMB 的神经元在 NI 中的活性与动物运动速度、觉醒水平、及海马 theta 波正相关。

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此次,研究团队在上述研究成果的基础上,设计了一种光学脑-脑接口,在两只小鼠(“Master”控制鼠和“Avatar”阿凡达鼠)间传递关于运动速度的信息,实现了以高信息传递速率精确、实时控制跨动物的运动。

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具体过程如下:

  1. 从阿凡达鼠 NI 表达 NMB 的神经元中提取了运动速度参数;

  2. 使用支持向量机(SVM,即一类对数据进行二元分类的广义线性分类器)训练的模型通过光学的方式实时记录来自控制鼠 NI 的 Ca2+ (钙离子)信号;

  3. 将其转换成阿凡达鼠 NI 的图案化光遗传刺激,顺利地指导了阿凡达鼠密切模仿控制鼠的运动。

值得一提的是,这一过程的信息传递速率达到了 4.1 bits/s,比基于电生理学的脑-脑接口的信息传递速率高出了 2-3 个数量级

用意念让蟑螂乖乖听话的技术又有新进展!“阿凡达”式脑-脑接口性能提升 2-3 个数量级

【控制鼠与阿凡达鼠之间的信息传递速率】

此外,研究团队还强调了在提升脑-脑接口信息传递速率时,选择合适的神经环路及记录、刺激工具的重要性。研究团队认为,该实验最终实现了较高的信息传递速率,一方面是研究人员利用了 NI 中表达 NMB 的神经元来提取运动速度参数;另一方面,研究人员选择利用光纤记录系统记录其变化。

关于脑-脑接口

近年来,我们或多或少都听到过一些有关「脑-机接口」的进展。2017 年,特斯拉公司 CEO、SpaceX 公司 CEO 兼 CTO、太阳城公司董事会主席埃隆·马斯克建立了脑机接口公司 Neuralink。在该领域,各国的研究团队也是频频刷新我们的认知——2020 年 1 月 16 日,浙江大学更是宣布,国内首例植入式脑-机接口临床研究成功。

相比之下,脑-脑接口可以说还是离大众比较遥远。

雷锋网了解到,脑-脑接口由两部分组成——从源脑的神经活动中检索有用信息的解码器,和将源信息转换成目标脑中神经元活动的适当变化的编码器。

实际上早在 2013 年,就有科学家提出,脑-脑接口可实现生物大脑之间的直接信息传递。当时,科学家初步证明,通过以多种方式记录从源脑中获取的电生理信号,然后通过皮层内电微刺激(ICMS)影响目标脑的神经元活动,A 动物能够模仿 B 动物的行为,偏差率仅仅在 10% 上下浮动。由此,脑-脑接口这一令人兴奋的概念便出现了。

此后几年里,几项研究通过非侵入性技术,比如脑电描记法(EEG,用脑电图仪将脑的自发性生物电活动显示出来并根据其特点和变化来检查脑功能的一种方法)和经颅磁刺激(TMS,一种无痛、无创的绿色治疗方法,磁信号可以无衰减地透过颅骨而刺激到大脑神经),在 2 个或 3 个人类受试者之间实现脑-脑接口,使得受试者能够感受其他受试者的感知或想要移动手指的意图。

此外,还有研究表明,利用 EEG 从人脑提取运动命令,通过电刺激或聚焦超声,可将运动命令传递到蟑螂或老鼠的大脑。

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然而,正如上文所述,脑-脑接口需要通过脑电多通道记录,技术难度大,同时脑电波记录难以精确解码,因此信息传递速率低。

不过,罗敏敏实验室的这一研究,无疑又为脑-脑接口领域的研究找到了新的突破口。

关于罗敏敏

看到这里,可能有人想问:罗敏敏是谁?

实际上,罗敏敏博士是一位北京生命科学研究所资深研究员。自 2005 年在北京生命科学研究所建立实验室以来,他已经以通讯作者或第一作者的身份,在众多国际学术期刊(如《科学》《细胞》《神经元》《美国科学院院刊》等)上发表学术论文 40 余篇,论文被引用次数超过 2200 次。

用意念让蟑螂乖乖听话的技术又有新进展!“阿凡达”式脑-脑接口性能提升 2-3 个数量级

雷锋网(公众号:雷锋网)了解到,除了 2 个神经生物学研究方向(嗅觉信号在哺乳动物脑中的编码,和一些基本的动物行为在神经环路水平上的生理机制)外,其实罗敏敏博士还是一位“杂学家”,本科曾学习心理学,也对人工智能、物理学等领域表示过兴趣。罗敏敏实验室还开发了电生理、化学方面的很多仪器。

此外,罗敏敏博士也在尝试挑战神经生物领域广泛关注但争议颇大的 5-羟色胺。实际上,5-羟色胺即血清素,为一种抑制性神经递质,几乎能影响到大脑活动的每一个方面,比如调节情绪、精力、记忆力甚至人生观的塑造等。一些抗抑郁药正是通过提升这种神经递质在脑内的水平而起作用的。

毫无疑问,科研的过程并非一帆风顺,但罗敏敏博士一直激励自己:

每天早上告诉自己,今天一定会有大发现,当然了,绝大多数时候都会失望地回家,但第二天醒来又满怀希望。

也许正是这样的乐观精神,支撑着罗敏敏博士及其实验室不断取得突破。

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