破解神经代码

时间:2024-06-30 23:08:07

在过去几十年里,神经科学家们已经开始默默地破解神经代码了。20世纪90年代,美国南加州大学的西奥多·伯格(Theodore Berger)率先取得进展,他使用了一种被称为多输入/多输出(MultiInput/Multi-Output,MIMO)的技术。MIMO通常在无线通信领域被用来从噪声中提取信号,伯格意识到,可以利用同样的原理从上百万神经元发放的噪声中提取信号。

他的探索工作也不免遭到质疑。“在相当长的时间里,人们都说他疯了。”美国密苏里州圣路易斯华盛顿大学的神经外科医生埃里克·莱特哈特(Eric Leuthardt)如是说。

其他科学家并非没看到记忆所具有的特征。有证据显示人类拥有一些极端特化的神经元,它们只对单一概念有反应,如自己的祖母或者詹妮弗·安妮斯顿(Jennifer Aniston)。不过,这些所谓的“祖母细胞”只对少数的概念进行编码,而伯格想要的是对任意一种记忆进行编码。虽然进度缓慢,但他确实展示了MIMO算法是可以做到这一点的,方法就是分离出某个动作记忆的信号,然后再把信号按顺序回放。

在一项开拓性的实验中,伯格(此时与戴维勒和汉普森合作)将带有电极的芯片植入了大鼠的海马。这些接受过训练的动物按下两个操纵杆中的一个时会获得奖赏,此时研究人员用MIMO算法把相关的神经代码分离出来并记录下来,然后用药物破坏这些实验动物的记忆能力,让它们记不住哪个操作杆对应奖赏,之后,研究人员就用同一个电极把之前记录的发放模式传递给神经元。尽管患有遗忘症,这些大鼠还是知道应该按下哪个操纵杆,换句话说,这个算法让大鼠的记忆失而复得。

这是阶段性的胜利,它表示电子设备可以破解神经代码并有望替代脑部受损的区域,比如,用人工海马来治疗失忆症。戴维勒的研究提出了一个关键问题:我们每个人有不同的神经代码,还是说存在一种人人都有的通用程序语言。正是带着这个疑问,戴维勒和汉普森尝试在大鼠间进行记忆移植。

在他们的实验里,有两组大鼠被训练在两个运动场中跑动,按照既定顺序按下一系列的操纵杆。重点是,一组大鼠要延迟动作:它们需要暂停30秒才能按下操纵杆,另一组则不需要。如果把暂停的情节用到第二组大鼠身上,它们就茫然了,会记不住在之前训练的时候所按的操纵杆。但是当戴维勒和汉普森用MIMO记录下第一组大鼠做这项任务时的大脑活动,再通过电极回放,那么第二组大鼠即使面对长时间暂停也能选对正确的操纵杆,表现得好像之前接受的是第一套训练,但其实它们之前并没有这段训练经历。汉普森说:“我们利用模型建立了一段之前没有用过的记忆。”

如何读心?

在解译大脑信号这方面我们已经取得了很大进步,但是在找出信号的意义之前,我们首先要保证信号的保真度足够高。听取大脑电信号交流的方法很多,关键在于权衡取舍。

不妨将大脑里的信号比作一场音乐会。如果只靠贴在颅骨上的非入侵式电极,那么能听到整个管弦乐团的演奏。要想集中听弦乐器组,就得稍微深入点,在大脑的表面放置一组电极,获取皮层脑电图。如果还想更精细一些,要听单个小提琴的声音,就只能直接和单个神经元连接。要获得这样高精度的信号,需要将电极插入大脑深处,然而电极的插入会撕裂或划伤周围的神经元,产生水肿和瘢痕,然后大脑中因免疫反应形成的瘢痕会阻挡侵入物。很快,电极就检测不到任何有用信息了。后果就是,极少有植入体能维持1~2年。为了克服这个困难,神经科学家正在开发新型电极,让它们跟身体更兼容,或者躲过大脑的免疫系统。

这套模型真的这么好吗?还是说成功是由其他因素造成的?戴维勒和汉普森着手做了大量的对照实验来排除其他可能,比如,这只是大脑被电流扰乱后产生的假象,或者是电刺激导致的整体强化。最终,他们在2013年12月发表的文章中宣称,在大脑中植入通用的记忆特征是有可能的。

如果在人身上可以重复这个实验,带有现成代码的芯片可以让人抢先完成对一般技能的重新学习,如在脑损伤之后丧失的刷牙或者驾驶技能。在美国佛罗里达州迈阿密大学从事神经假体研究工作的贾斯汀·桑切斯(Justin Sanchez)说:“在让大脑损伤的人回归岗位前,我们想让他们先重拾形成外显记忆的能力。”

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