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| 本文作者： 付靜 | 2020-03-25 18:51 |
可實現(xiàn)異體生物控制的「腦-腦接口」技術（BtBIs），如今越來越成熟了。
2020 年 3 月 20 日，北京生命科學研究所/清華大學生物醫(yī)學交叉研究院羅敏敏實驗室在中國生命科學領域學術水平最高的國際知名刊物 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（光學腦-腦接口支持用于精確運動控制的快速信息傳輸） 的論文。
在這一論文中，研究團隊介紹了作者利用光纖記錄和光遺傳學激活技術構建了一個光學腦-腦接口，并且在兩只小鼠間實現(xiàn)了高信息傳遞速率的運動信息傳遞，從而在原理上驗證了腦-腦接口跨個體精確控制動物運動的可能性。
腦-腦接口這一概念，看過科幻電影《阿凡達》的人可能有點印象。在電影中，地球上的人可以通過腦對腦的直接信息傳遞，遠程控制潘多拉星上經(jīng)基因改造的藍色類人生物 Na'vi 族。
通常來講，人與人之間、其他動物之間的交流依賴于視覺、聽覺、嗅覺或觸覺等，但實際上腦-腦接口也可實現(xiàn)生物大腦之間的直接信息傳遞。不過，由于當前技術上的限制，信息傳遞的速率很低，這也是制約腦-腦接口技術發(fā)展的一個主要瓶頸。
另外，羅敏敏實驗室曾于近期發(fā)現(xiàn)，腦干未定核（NI）的一類表達神經(jīng)調節(jié)肽（Neuromedin B， NMB）的神經(jīng)元可控制運動速度、覺醒及與空間記憶相關的海馬 theta 波，相關論文于 2020 年 1 月 14 日發(fā)表在《Nature Communications》期刊。
簡單來講，表達 NMB 的神經(jīng)元在 NI 中的活性可精確地預測、控制運動速度。如下圖所示，表達 NMB 的神經(jīng)元在 NI 中的活性與動物運動速度、覺醒水平、及海馬 theta 波正相關。
此次，研究團隊在上述研究成果的基礎上，設計了一種光學腦-腦接口，在兩只小鼠（“Master”控制鼠和“Avatar”阿凡達鼠）間傳遞關于運動速度的信息，實現(xiàn)了以高信息傳遞速率精確、實時控制跨動物的運動。
具體過程如下：
從阿凡達鼠 NI 表達 NMB 的神經(jīng)元中提取了運動速度參數(shù)；
使用支持向量機（SVM，即一類對數(shù)據(jù)進行二元分類的廣義線性分類器）訓練的模型通過光學的方式實時記錄來自控制鼠 NI 的 Ca2+ （鈣離子）信號；
將其轉換成阿凡達鼠 NI 的圖案化光遺傳刺激，順利地指導了阿凡達鼠密切模仿控制鼠的運動。
值得一提的是，這一過程的信息傳遞速率達到了 4.1 bits/s，比基于電生理學的腦-腦接口的信息傳遞速率高出了 2-3 個數(shù)量級。
【控制鼠與阿凡達鼠之間的信息傳遞速率】
此外，研究團隊還強調了在提升腦-腦接口信息傳遞速率時，選擇合適的神經(jīng)環(huán)路及記錄、刺激工具的重要性。研究團隊認為，該實驗最終實現(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 NMB 的神經(jīng)元來提取運動速度參數(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。
近年來，我們或多或少都聽到過一些有關「腦-機接口」的進展。2017 年，特斯拉公司 CEO、SpaceX 公司 CEO 兼 CTO、太陽城公司董事會主席埃隆·馬斯克建立了腦機接口公司 Neuralink。在該領域，各國的研究團隊也是頻頻刷新我們的認知——2020 年 1 月 16 日，浙江大學更是宣布，國內首例植入式腦-機接口臨床研究成功。
相比之下，腦-腦接口可以說還是離大眾比較遙遠。
雷鋒網(wǎng)了解到，腦-腦接口由兩部分組成——從源腦的神經(jīng)活動中檢索有用信息的解碼器，和將源信息轉換成目標腦中神經(jīng)元活動的適當變化的編碼器。
實際上早在 2013 年，就有科學家提出，腦-腦接口可實現(xiàn)生物大腦之間的直接信息傳遞。當時，科學家初步證明，通過以多種方式記錄從源腦中獲取的電生理信號，然后通過皮層內電微刺激（ICMS）影響目標腦的神經(jīng)元活動，A 動物能夠模仿 B 動物的行為，偏差率僅僅在 10% 上下浮動。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，幾項研究通過非侵入性技術，比如腦電描記法（EEG，用腦電圖儀將腦的自發(fā)性生物電活動顯示出來并根據(jù)其特點和變化來檢查腦功能的一種方法）和經(jīng)顱磁刺激（TMS，一種無痛、無創(chuàng)的綠色治療方法，磁信號可以無衰減地透過顱骨而刺激到大腦神經(jīng)），在 2 個或 3 個人類受試者之間實現(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手指的意圖。
此外，還有研究表明，利用 EEG 從人腦提取運動命令，通過電刺激或聚焦超聲，可將運動命令傳遞到蟑螂或老鼠的大腦。
然而，正如上文所述，腦-腦接口需要通過腦電多通道記錄，技術難度大，同時腦電波記錄難以精確解碼，因此信息傳遞速率低。
不過，羅敏敏實驗室的這一研究，無疑又為腦-腦接口領域的研究找到了新的突破口。
看到這里，可能有人想問：羅敏敏是誰？
實際上，羅敏敏博士是一位北京生命科學研究所資深研究員。自 2005 年在北京生命科學研究所建立實驗室以來，他已經(jīng)以通訊作者或第一作者的身份，在眾多國際學術期刊（如《科學》《細胞》《神經(jīng)元》《美國科學院院刊》等）上發(fā)表學術論文 40 余篇，論文被引用次數(shù)超過 2200 次。
雷鋒網(wǎng)了解到，除了 2 個神經(jīng)生物學研究方向（嗅覺信號在哺乳動物腦中的編碼，和一些基本的動物行為在神經(jīng)環(huán)路水平上的生理機制）外，其實羅敏敏博士還是一位“雜學家”，本科曾學習心理學，也對人工智能、物理學等領域表示過興趣。羅敏敏實驗室還開發(fā)了電生理、化學方面的很多儀器。
此外，羅敏敏博士也在嘗試挑戰(zhàn)神經(jīng)生物領域廣泛關注但爭議頗大的 5-羥色胺。實際上，5-羥色胺即血清素，為一種抑制性神經(jīng)遞質，幾乎能影響到大腦活動的每一個方面，比如調節(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提升這種神經(jīng)遞質在腦內的水平而起作用的。
毫無疑問，科研的過程并非一帆風順，但羅敏敏博士一直激勵自己：
每天早上告訴自己，今天一定會有大發(fā)現(xiàn)，當然了，絕大多數(shù)時候都會失望地回家，但第二天醒來又滿懷希望。
也許正是這樣的樂觀精神，支撐著羅敏敏博士及其實驗室不斷取得突破。
參考資料：
http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCLS/doi/10.1007/s11427-020-1675-x?slug=fulltext
https://www.nature.com/articles/s41467-019-14116-y
https://baike.baidu.com/item/%E8%84%91%E8%84%91%E6%8E%A5%E5%8F%A3/17675124?fr=aladdin
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