采用电子芯片植入记忆

2014-04-15 18:40:49来源: 比特

    据外滩画报报道,一位标新立异的神经学家认为,他已经破译了大脑形成长期记忆的代码。

    西奥多·伯杰是洛杉矶南加州大学的生物医学工程师和神经学家。他设想,在不远的将来,严重失忆的病人可以通过植入电子芯片得到帮助。当人们的大脑因为阿尔茨海默氏症、中风或受伤而受到损害,被扰乱的神经网络往往阻止长期记忆的形成。在过去的二十多年里,伯杰一直在设计硅芯片,来模拟正常工作的神经元之间的信号传递。它能使我们回忆起一分多钟的经验和知识。伯杰希望,最终可以通过在大脑中植入这样的芯片,使病人恢复长期记忆的能力。

    伯杰说,这个想法是如此胆大包天,以至于很多不在神经科学主流领域的同事都把他看作疯子。“很久以前,他们就说我是疯子。”不过,鉴于最近他的研究小组以及几个亲密的合作者进行了成功的实验,伯杰正在摆脱“疯子”的标签,并且逐渐被当作一个有远见的先驱。

    伯杰和他的研究伙伴尚未进行人体试验,但他们的实验表明,通过外部电极连接到鼠脑和猴脑的硅芯片能像真正的神经元那样处理信息。“我们不是在向大脑输入个人化的记忆。我们是在重建产生记忆的能力。”去年秋天,他们发布了一个令人印象深刻的实验。伯杰和他的同事证明,他们还可以帮助猴子从大脑的长期记忆储存区检索那些记忆。

    如果“记忆植入”听起来有点不可信,那么伯杰会以神经假体方面的一些最新进展作为例子。现在,通过植入人工耳蜗,有超过20万聋人可以将声音转换成电信号,并将它们发送到听觉神经。同时,早期的实验表明,植入电极也可以让瘫痪的人能按自己的意志移动假肢。另外,在将人工视网膜应用于盲人方面,研究人员也已取得了初步的成功。

    尽管如此,要恢复大脑中的认知,其难度要远远高于以上任何成就。在过去的35 年里,伯杰一直试图从根本上了解海马区神经元的行为方式,因为这一区域被认为是形成记忆的区域。“这是非常清楚的。”他说,“海马区使短期记忆变成长期记忆。”

    海马区如何完成这个复杂的壮举?伯杰开发了数学定理,用来描述电信号如何在海马区的神经元之间传递而形成长期记忆。他已经证明了他的方程式与现实相符。“你不需要做大脑做的所有事情,但你至少可以模仿大脑做的某些事情吧?”他问,“你能不能模拟它,并把它放入一个设备?你能不能将这个设备植入到任何大脑中?就是这三个问题,导致人们认为我疯了。其实是他们认为这很难实现。”

记忆代码的破译

    何为记忆?伯杰的定义是:“这是特定数量的神经元在一段时间内所产生的一系列的电脉冲。”他说,“这一点很重要,这意味着你不仅可以从生物学的角度来理解它,你也有办法处理它。你可以把一个电极放在那里,然后你可以记录下所谓‘记忆’的表现。你可以发现2147 个神经元是这段记忆的一部分。它们是怎么连接的?它们产生了一系列脉冲。这不是奇怪的事情,而是一些你应付得来的事情。这是非常有用的,告诉你究竟发生了什么。”

    这是对于记忆的传统观点,但它只停留在表面。伯杰和他的同事在探索大脑这个神秘层面的时候,试图研究得更深入些。神经科学家通过监测神经元表面的动作电位和微伏变化,来跟踪大脑中电波信号的传播。伯杰说,他们的报告和实际发生的相比,往往过于简单化。“他们发现环境中的一个重要事件,然后对动作电位进行计数。他们往往会说,‘在我做了某件事情之后,数量从1 升到了200。

    我发现了一些有趣的事情。’‘你找到了什么?’‘‘动作电位上升了。’但是你有什么发现?‘动作电位上升了。’那又怎么样呢?它是在编码吗?它传递的是下一个神经元所需要的东西吗?它使下一个神经元做什么不同的事情吗?这才是我们应该做的:解释事物,而不仅仅是描述所看到的事情。”

    在哈佛的研究生院,伯杰的导师理查德·汤普森专注于研究信息定位和因学习所引发的大脑变化。汤普森使用色调和一股气流使兔子眨眼睛,希望可以找到他所诱导的记忆储存在大脑的什么位置。这个想法是为了找到大脑中用于学习的特定区域。伯杰说:“如果动物的确学习了,然后你又将它移除了,那么它就不会记得了。”

    汤普森在伯杰的帮助下才做到这一点,他们在1976 年公布了研究结果。为了找到兔子大脑中的那个区域,他们给小动物的大脑安装了电极,这样就可以监控一个神经元的活动。神经元的外膜有控制物质出入的阀,可以让带电粒子进出,比如钠和钾。汤普森和伯杰记录下了兔子进行记忆时,海马区神经元的尖端电脉冲。

    电脉冲的峰值幅度(代表动作电位)和它们的间隔分布,都形成了一定的规律。伯杰认为,这个相对于时间的细胞反应规律应该不是偶然发生的。

    这个发现奠定了他目前工作的基础:当细胞接收和发送电信号时,输入和输出的数量关系有什么样的特定规律?也就是说,当一个神经元在一个特定的时间和地点发送电波信号,那么它邻近的神经元究竟会做出的什么样的响应?这个答案可以揭开神经元形成长期记忆的原理。

    但很快,伯杰就发现这个答案是极其复杂的。在20世纪80年代后期,伯杰在匹兹堡大学和罗伯特·斯卡拉巴斯一起工作。他们被海马区神经网络的一种属性深深吸引,他们用电脉冲(输入)刺激兔子的海马区,然后将不同数量的神经元集合之间的信号传递(输出)路径绘制下来,结果他们观察到这两者之间不是线性关系。“比方说,你输入1,得到2。”伯杰说,“那就很简单,这是一个线性关系。不过,我们发现,在大脑中基本没有可能可以监测到线性活动,或者线性求和。它总是非线性的。”信号之间会重叠,其中有一些神经元是抑制输入的脉冲信号的,而另一些则是加剧了信号传输。

    到20 世纪90 年代初,随着计算机技术的发展,他的研究开始进入一个高级阶段。他可以和南加州大学工程学院的同事用电脑芯片来模拟部分海马区的信号处理系统。“情况开始变得明朗,如果我能让这个东西在大量硬件中运转,那么我已经成功复制了大脑的某些部分。那为什么不把它植入大脑呢?所以,在其他人远还没有想到的时候,我就开始思考神经假体的问题。”

    在过去的二十多年里,伯杰一直在设计硅芯片,来模拟正常工作的神经元之间的信号传递。它能使我们回忆起一分多钟的经验和知识。伯杰希望,最终可以通过在大脑中植入这样的芯片,使病人恢复长期记忆的能力。

可以植入大脑的假体

    后来,伯杰开始和南加州大学生物医学工程师瓦西里斯·马迈莱力斯一起工作,制造大脑假体。他们最初研究的是鼠脑海马区的切片。神经元信号是从海马区的一端传递到另一端,所以研究人员随机地将脉冲输入海马区,然后记录下不同位置的信号来看它们是如何转化的。之后,他们用数学方程式来描述转化过程,将这些方程式应用于计算机芯片。

    接下来,为了测试这样的芯片是否可以作为假体用于受损的海马区域,研究人员研究了它们是否可以绕过大脑切片路径中的核心组成部分。植入这个区域的电极将电脉冲传递到一个外部芯片,在那里完成通常在海马区完成的信号转换。其他电极将信号传输回大脑切片。

    然后,研究人员进行了飞跃性的尝试,将电脑芯片植入老鼠活体内,结果显示它的确可以作为海马区的人工组成部分而运转。他们开始训练动物进行两种压力测试,动物选择对了就可以美餐一顿,接着记录下它们海马区的一系列脉冲变化。通过这些数据,伯杰和他的团队给信号转化的过程建立模型,因为他们认为这个测试被储存成了长期记忆。然后,他们提取代表这个记忆本身的代码。通过记录老鼠学习这项任务时大脑中的信号变化,他们证明了他们的设备可以从输入的信号中生成长期记忆的代码。然后,他们给老鼠喂食一种可以打乱它们长期记忆能力的药物,让它们忘记哪种测试可以带来美餐。接着,研究人员给吃了药的老鼠大脑输入一定的脉冲信号,这些老鼠又可以对测试作出正确的选择。

    去年,科学家们发表了灵长类动物大脑额叶皮层的实验报告。额叶皮层具有检索功能,可以检索海马区生成的长期记忆。他们将电极植入猴子大脑,来捕捉前额皮层的信号。他们认为这个部位能够使小动物记住之前看到过的图像。然后,他们给猴子喂食了可卡因,使大脑生成图像的部位受到损害。再将电子芯片植入猴子大脑的前额皮层,给予正确的脉冲刺激,研究人员发现这可以显著地提升它们对图像的记忆功能。

    伯杰和他的同事们希望,在未来两年内,可以在动物体内植入真正的记忆假体。他们也想证明,他们研究的海马区芯片可以在很多不同的行为情境里帮助形成长期记忆。“我们的目标是帮助严重失忆的人提升他们的生活品质。如果我可以帮助他们恢复一半长期记忆的能力,我肯定会高兴坏了,病人们肯定也会很高兴。”

    伯杰还在和南加州大学的临床医生一起合作,后者正在尝试将电极植入海马区的两翼来监测并且预防严重癫痫患者的癫痫发作。如果这个项目可以如设想那样向前推进,那么伯杰的研究小组将搭载在这个试验中去寻找这些病人的大脑记忆代码。“我从来没有想过我会活着看到这一天,但现在我想我会看到的。”伯杰最后表示。

 

关键字:植入  记忆

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2014/0415/article_4656.html
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