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大脑的奥秘③|读心术会实现吗?最前沿的脑机接口居然出自他
肖晓 x 澎湃问吧
2021-07-26 20:05  来源:澎湃新闻
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大脑左右着生命个体对于自身、外界、空间和时间等各个维度的感知。身处五彩缤纷的世界,周围的一切以何种形式留在了我们的大脑中?是否有一块“橡皮擦”,能让我们选择性地忘记?脑机接口技术不断发展,人类离“读心术”还有多远?本期问吧复旦大学类脑智能科学与技术研究院博导肖晓,继续与我们探究脑科学的奥秘。存储
@澎湃网友3E3uea:
计算机的存储设备靠的是大量的二进制电信号,那么人类的记忆是靠什么呢?
肖晓:这还得从大脑的基本单元神经元讲起。神经元作为一种特异的细胞,其形态与功能多种多样,但有一个统一特性就是相互之间可以传递信息。神经元传导信号有一个特性是全或无反应,全或无的意思就是当刺激达到神经元的反应阈限时,它便以最大的脉冲振幅加以反应。但刺激强度如达不到某种阈限时,神经元便不发生反应。神经元的全或无反应机制,保证了它接受到信号的正确性和功能性。这个特性或许可以在某种程度上,用晶体二极管的二进制1和0相对应。你可以想象,在大脑里,大量的神经元相互联系,他们都通过全或无反应进行信息的传递和编码。
关于信息的存储和记忆,就涉及到更复杂的一些蛋白、神经递质、细胞之间的作用方式,就不展开讨论了。@海边的Claire:人可以选择性地忘掉过去吗?
肖晓:这是个很好的问题,但是也比较复杂,目前我自己的实验室也在这个领域进行研究,这个问题最简单的回答是:理论上是可以的。
总有人把大脑比作电脑,认为电脑就是对人脑的一种模仿,记忆也和电脑存储数据一样:一格一格地储存在不同的脑区里面,根据所需到不同的位置去调取记忆。
美国著名心理学和行为学家Karl Lashley在1920年代做过一系列行为学实验,就想对这一假说进行验证,找出存储记忆的脑区。他先用好吃的食物训练老鼠走迷宫,训练过后的老鼠能很快地找到最近的路找到它们爱吃的,然后他人为损伤老鼠大脑中的不同部位,看损伤哪个部位会影响到记忆,一旦记忆受到影响,就说明记忆储存在那个位置。
其实Lashley使用的这种大脑区域损伤法(Lesion)至今仍是不少动物行为学实验的常规方法,用这种方法验证了不少行为模式和大脑不同区域的关联,但Lashley低估了“记忆”这种行为模式的复杂程度。他发现老鼠记忆的受损和大脑损伤的具体位置无关,只和损伤区域的大小有关,损伤的区域越大记忆丧失的就越多,所以他就得出结论:记忆并没有一个特殊的存储区间,而是弥散在大脑的各个部位。这个观点流行了很多年,但是在现在看来这个理论是不准确的。目前科学家得出的结论是:记忆应该是有不同的种类,不同种类的记忆可能存储在大脑的不同位置。
但选择性地对记忆进行改写和编码,目前只在动物上完成,其中做得最好最有名的是美国麻省理工大学的诺贝尔奖得主利川跟进(Susumu Tonegawa)实验室。简单来说就是他们找到了小鼠的大脑中某一群细胞的记忆“开关”,当人为的打开这个开关,小鼠们就会重现那段记忆,第一次人为的通过记忆控制了小鼠的行为。这项工作被选为2014年十大科学突破之一,文章的第一作者是复旦毕业的刘旭博士,还获得了有着医学界诺贝尔奖之称的拉斯克奖(Lasker Award)。
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@薄荷蛋壳:
目前最前沿的脑机接口研究到什么程度了?真的可能实现超声波读心吗?
肖晓:脑机接口技术最初是按照临床治疗的需求而研发的,后期也用于高级神经机制的研究中。在上世纪80年代就已被应用于神经功能修复中,比如用来恢复听觉的植入设备“人工耳蜗”已发展得比较成熟,目前最新型的人工耳蜗已能分析相当复杂的听觉信号,甚至在一定程度上能识别语言。而“人工视网膜”则可以恢复患者的光感和形状辨别能力,在特定的情况下甚至能使患者恢复一定的阅读书籍的能力。前面一类是使用脑机接口让脑子获得输入信号。
还有一类是用来恢复输出信号,比如把脑机接口应用于神经假肢,使四肢受损的患者恢复基本的运动和生活功能。神经假肢类型的脑机接口又分两个大类:侵入型脑机接口(invasive)和非侵入型脑机接口(non-invasive),其中侵入型又能细分成连接外周神经的和连接中枢神经(脊髓和大脑)的。目前,最前沿的神经假肢是把脑机接口埋置在患者大脑的体感运动皮层,这种神经假肢通过结合机器学习的算法,可以把大脑中的运动和触觉信号精确分离出来,让患者可以同时实现触觉的神经反馈和神经假肢的运动操控。
目前最有名的脑机接口来自于著名企业家埃隆·马斯克(Elon Musk)。对,你没看错,就是出自生产特斯拉,以及回收火箭并要送人上火星的那位人士的Neuralink公司。他们的现有成果是使用一种柔性导线作为电极,并利用一个被称为“缝纫机”的神经外科机器人,以很快的速度(每分钟6根线)把40根电极线以微米级的精度植入到实验鼠的皮层表面,成功实现在实验鼠脑中埋置1280个电极,并让这些电极用USB接口导出,能够把实验鼠脑中产生的神经信号实时地传导出来,然后用计算机进行解码。他最新发布的成果是使用无线导联的脑机接口,这个设备只有硬币那么大(23mm x 8mm),有1024个通道,能够感应温度和脉搏,实时读取脑电波,并支持远程无线传输脑电数据。马斯克的脑机接口公司Neuralink曾展示过一头植入Neuralink设备的猪,名为Gertrude。

马斯克的脑机接口公司Neuralink曾展示过一头植入Neuralink设备的猪,名为Gertrude。

你说的超声波读心,是一个不太准确的说法,一般是使用各种电磁、超声等器件对大脑进行调控,来更精确地控制大脑、治疗疾病。但读心主要还是使用一些侵入型脑机接口的技术,把传感器放置在大脑皮层的不同部位,让大脑与电脑连接,通过破译大脑的神经电编码,来完成思想交流的目的。最著名的一个实验是2016年荷兰乌特勒支大学医学院的神经科学家成功让一名肌萎缩侧索硬化(ALS)的闭锁综合征女患者de Bruijne完成了无需医疗人员协助的思想交流。在她进行脑机接口植入28周后,de Bruijne已经能够准确和独立地控制一个计算机打字程序,使用意念差不多一分钟可以打出2个字母,准确率达到95%。通过这种方式,在没办法说话的情况下,和外界进行交流。

责任编辑:黄雅竹

校对:张艳

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我是复旦大学类脑智能科学与技术研究院博导肖晓,关于大脑运作的奥秘,问我吧!  
肖晓
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