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大脑影响个体生命对自身、外部世界、空间和时间的感知。在五彩缤纷的世界里,我们周围的一切在我们的大脑中是以什么样的形式存在的?有没有我们可以选择性遗忘的“橡皮擦”?随着脑机接口技术的发展,离“读心术”还有多远?本期,让我们邀请复旦大学智能科技类脑研究所博士生导师肖骁,与我们一起继续探索脑科学的奥秘。
存储
@澎湃湃3E3uea:计算机的存储设备依赖于大量的二进制电信号,那么人类的记忆依赖于什么呢?
肖晓:,这得从神经元开始,神经元是大脑的基本单位。神经元作为一种特殊的细胞,有着各种各样的形状和功能,但一个统一的特点是它们可以相互传递信息。神经元传导信号的一个特点是全响应或无响应,即当刺激达到神经元的响应阈值时,会以最大脉冲幅度响应。但如果刺激强度没有达到一定的阈值,神经元是不会有反应的。神经元的完全或无反应机制保证了它接收到的信号的正确性和功能性。这个特性在某种程度上可能对应于晶体二极管的二进制1和0。你可以想象,在大脑中,大量的神经元是相互连接的,它们都是通过总反应或无反应来传递和编码信息的。
至于信息的储存和记忆,涉及到一些蛋白质、神经递质、细胞之间更复杂的相互作用方式,就不讨论了。@海边的Claire:人可以选择性地忘记过去吗?
肖晓:是个好问题,但也很复杂。目前我自己的实验室也在做这方面的研究。这个问题最简单的回答是:理论上是可以的。
有些人总是把大脑比作计算机,认为计算机是对人脑的模仿,记忆和计算机存储的数据是一样的:一个一个地存储在不同的大脑区域,可以根据需要从不同的位置取回记忆。
美国著名心理学家和行为主义者卡尔拉施里在20世纪20年代做了一系列行为实验,试图检验这一假设,找出储存记忆的大脑区域。首先,他训练老鼠带着美味的食物走迷宫。经过训练,老鼠可以很快找到最短的方法找到他们喜欢吃的东西。然后,其他人伤害老鼠大脑的不同部分,看看哪个部分会影响他们的记忆。一旦记忆受到影响,就意味着记忆储存在那个位置。
事实上,拉什利使用的病变法仍然是许多动物行为实验中的常规方法。它已被用于验证许多行为模式与不同脑区之间的关系,但拉什利低估了“记忆”这一行为模式的复杂性。他发现,老鼠的记忆损伤与大脑损伤的具体位置无关,只与损伤区域的大小有关。受损面积越大,失忆越多,于是他得出结论,记忆并没有特别的存储区间,而是分散在大脑的各个部位。这个观点流行了很多年,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。
而记忆的选择性重写和编码目前只在动物身上进行,其中最好最著名的是麻省理工学院诺贝尔奖获得者Susumu Tonegawa。简单来说,他们发现了老鼠大脑中某一组细胞的记忆“开关”。当这个开关被人为打开时,老鼠会重现那段记忆,第一次通过记忆人为控制老鼠的行为。这项工作入选2014年十大科学突破。文章的第一作者是毕业于复旦大学的刘旭博士。他还获得了被誉为医学界诺贝尔奖的拉斯克奖。
取得
@ mint蛋壳:目前最前沿的脑机接口研究到什么程度?真的有可能实现超声波读心术吗?
肖晓:脑-机接口(BCI)技术最初是根据临床治疗的需要发展起来的,后来用于高级神经机制的研究。20世纪80年代,已应用于神经功能修复。比如用来恢复听力的人工耳蜗,已经发展的相当成熟了。目前最新的人工耳蜗可以分析相当复杂的听觉信号,甚至可以在一定程度上识别语言。“人造视网膜”可以恢复患者的光感和形状辨别能力,甚至在特定情况下恢复患者的阅读能力。前一种是利用脑机接口,让大脑获得输入信号。
另一类用于恢复输出信号,如将脑机接口应用于神经假体,使肢体受损的患者恢复基本的运动和生活功能。假肢的脑机接口(BCI)可分为两类:有创BCI和无创BCI。其中,侵袭性BCI可细分为周围神经和中枢神经(脊髓和大脑)。目前最先进的神经假体是将脑机接口嵌入患者大脑的体感运动皮层。这种神经假体通过结合机器学习的算法,可以在大脑中准确分离出运动和触觉信号,使患者同时实现触觉神经反馈和神经假体的运动操纵。
是的,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)。,你说得对,它来自Neuralink,这家公司生产了泰斯拉,也是那个回收火箭并把它送上火星的人。他们目前的成果是使用一根柔性导线作为电极,使用一台名为“缝纫机”的神经外科机器人,以非常快的速度(每分钟6根导线)在实验小鼠的皮层表面植入40根电极导线,精度达到微米级,成功地在实验小鼠的大脑中植入1280根电极,并使这些电极使用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。
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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