大腦刻錄機(jī)

2009年07月28日 07:12
來源：第一財(cái)經(jīng)日?qǐng)?bào)

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譚薇/編譯

美國(guó)科學(xué)家在腦機(jī)接口(brain-computer interface，BCI)研究中再度取得重大突破。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明，大腦不僅可以憑借思維控制電腦光標(biāo)和機(jī)械臂等外部設(shè)備，甚至可以像刻錄機(jī)一樣記錄特定的細(xì)胞放電模式，完成各種新任務(wù)。這一研究成果將給腦機(jī)交互實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)理念帶來根本性的改變。

盡管該實(shí)驗(yàn)是以猴子為對(duì)象，不過研究人員認(rèn)為這一成果亦可適用于人類。實(shí)驗(yàn)證明，學(xué)會(huì)用思維控制物體運(yùn)動(dòng)并不像學(xué)習(xí)打球或騎車那么簡(jiǎn)單。在以往的實(shí)驗(yàn)中，計(jì)算機(jī)接口可以建立思維對(duì)運(yùn)動(dòng)的控制，只是每運(yùn)作一次，大腦都會(huì)發(fā)出一套全新的指令，這就好比你每日起床后都得學(xué)會(huì)操縱自己身上新長(zhǎng)出的胳膊一樣。

在最近的實(shí)驗(yàn)中，猴子們學(xué)會(huì)了以同一種神經(jīng)元放電模式來移動(dòng)電腦光標(biāo)，所需調(diào)動(dòng)的腦細(xì)胞數(shù)量也大大降低。實(shí)驗(yàn)的主持者、加利福尼亞大學(xué)伯克利分校(University of California, Berkeley)計(jì)算機(jī)與認(rèn)知科學(xué)助理教授喬斯·M·卡曼納(Jose M. Carmena)指出，該研究第一次證明了大腦具備類似于刻錄機(jī)的功能，它可以形成運(yùn)動(dòng)記憶(motor memory)，逐步建立神經(jīng)元對(duì)外部設(shè)備的控制，這一原理與大腦操縱人體四肢的方式如出一轍。

一般而言，約有75至100個(gè)大腦細(xì)胞負(fù)責(zé)控制物體的運(yùn)動(dòng)。在本次實(shí)驗(yàn)中，這些細(xì)胞的活動(dòng)模式都會(huì)被植入大腦內(nèi)部的電極一一記錄下來。之后猴子的肢體被固定起來，而研究人員只需觀察細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)模式便可預(yù)測(cè)它的活動(dòng)傾向或意圖，負(fù)責(zé)接收和解讀其運(yùn)動(dòng)信號(hào)的是一個(gè)所謂的解碼器。它實(shí)質(zhì)上是一種計(jì)算機(jī)算法，可以將大腦信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)器可執(zhí)行的命令。鑒于電極活動(dòng)和細(xì)胞變化所導(dǎo)致的易變性，研究者認(rèn)為，負(fù)責(zé)控制運(yùn)動(dòng)的細(xì)胞組每天都會(huì)發(fā)生更替。因此他們每日都會(huì)重新校準(zhǔn)解碼器，而實(shí)驗(yàn)猴則需要重新學(xué)習(xí)如何用思維控制電腦光標(biāo)或機(jī)械臂。

隨之而來的問題是，假如保持解碼器的穩(wěn)定，是否可以使最初的隨機(jī)神經(jīng)元組形成一個(gè)穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)記憶？大腦能否學(xué)會(huì)這一新技能？在實(shí)驗(yàn)中，卡曼納博士的團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練兩只猴子使用操縱桿將計(jì)算機(jī)的光標(biāo)移動(dòng)至一個(gè)藍(lán)色的目標(biāo)，并為這種運(yùn)動(dòng)選取了特定的解碼器。在接下來的十九天內(nèi)，兩只猴子都在不斷地練習(xí)用思維操縱光標(biāo)。一開始，它們并不能總是擊中目標(biāo)。不過隨著時(shí)間的推移，細(xì)胞的放電模式逐漸變得穩(wěn)定，而猴子們也擁有了一個(gè)穩(wěn)定的心理模型?？{博士指出，這與人們學(xué)會(huì)騎車或打球的過程可以說是如出一轍。一開始，你無法協(xié)調(diào)四肢的動(dòng)作，然而經(jīng)過一段時(shí)間，大腦會(huì)像刻錄機(jī)一樣記錄下這一特定的運(yùn)動(dòng)模式。

接下來，卡曼納博士決定對(duì)猴子的記憶進(jìn)行測(cè)試。他將目標(biāo)的顏色改成了黃色。在數(shù)天內(nèi)，猴子們便用同一組細(xì)胞完成了這一新的任務(wù)。不僅如此，它們還同時(shí)擁有兩套互不干擾的心理地圖，因而可在不同的任務(wù)之間切換自如。這就好比將學(xué)習(xí)網(wǎng)球的地點(diǎn)從紅土場(chǎng)地?fù)Q到草地，或者說像是在山地自行車和公路自行車之間來回轉(zhuǎn)換。

簡(jiǎn)言之，大腦可以調(diào)動(dòng)同一套神經(jīng)元來應(yīng)付新的任務(wù)，進(jìn)行不同運(yùn)動(dòng)并習(xí)得多種技能。華盛頓大學(xué)(University of Washington)的腦機(jī)接口專家埃伯哈德·E·費(fèi)茨(Eberhard E. Fetz)認(rèn)為，這一結(jié)果非常具有“戲劇性且令人吃驚”，它證明大腦比人類想象的更為聰明?？{博士認(rèn)為，如果能夠解決腦機(jī)接口的安全性問題，那么未來癱瘓病人對(duì)假肢的操縱也將與正常人的肢體動(dòng)作無異。

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