搭建未來的「腦聯網」——「腦對腦介面」讓遠隔千里的小鼠做出同樣選擇新視野

最近，來自美國、巴西和中國的科學家首次在小鼠身上實驗了一種「腦對腦介面」（BTBI），用微電極陣列將兩隻小鼠的大腦接通，讓它們直接交流以解決簡單的行為難題。通過多組精心設計的實驗，研究人員發現感覺運動信息不僅能腦間共享，還能遠程傳輸，兩隻小鼠即使遠隔幾千英里，也能做出同樣選擇。研究人員指出，實驗證明了「腦對腦介面」能在一對腦或多腦網路之間實現信息交流、處理和存儲，由此可作為研究新型社會互動、生物計算設備的基礎。相關論文發表在2月28日的《科學報告》雜誌上。從「腦—機介面」到「腦對腦介面」「我們以往研究腦—機介面，在實驗中我們發現小鼠大腦比以往認為的更有可塑性。它們的大腦能輕鬆地適應和接受來自體外設備的輸入，並學習著處理那些人工感測器產生的看不見的紅外光。」論文領導作者、杜克大學醫學院神經生物學教授米格爾·尼科萊利斯說，「所以，這次我們的問題是『如果大腦能理解來自人工感測器的信號，那它是否也能理解另一個身體發出的感覺信息？』」為了檢驗這一假設，研究人員先訓練小鼠們完成簡單的選擇題：根據指示燈按下正確的槓桿。左右兩個槓桿上方都有指示燈，哪個燈亮就按下哪個，如果選對了，就給它一口水喝作為獎勵。下一步，他們用微電極陣列植入小鼠腦部處理運動信息的皮層區，並把兩隻小鼠的電極連接起來。其中一隻作為編碼器，另一隻作為解碼器。「編碼鼠」負責接受視覺信息，即根據指示燈決定該按哪個槓桿，按對了才能得到獎勵。當它按下了正確的槓桿後，它的大腦會為這次行為決策編碼，將其轉化為電流刺激模式，直接發送到它的搭檔——「解碼鼠」的腦中。「編碼鼠」和「解碼鼠」的合作兩隻小鼠分別關在不同的「小房間」里。對於該按哪個槓桿，「解碼鼠」並未看到任何指示線索，因此，要想按下正確的槓桿得到獎勵，它只能依靠「編碼鼠」發出的信息，而這些信息是經由腦對腦介面傳入「解碼鼠」腦中的。當「編碼鼠」執行二選一任務時，它的腦活動以一種皮層內微電流刺激（ICMS）的方式，傳遞到「解碼鼠」腦中相符的皮層區，解碼鼠則會按下相同的槓桿。研究人員檢驗了「解碼鼠」的破譯成功率，即根據「編碼鼠」腦電輸入按下正確槓桿的成功率。結果發現最大成功率達到了70%，只比理論值略低一點，理論計算的最大成功率為78%。尼科萊利斯還指出，這種腦對腦介面（BTBIs）允許雙向交流，這一點很重要。如果「解碼鼠」選錯了槓桿，編碼鼠將不能得到全部獎勵。由此導致了這對小鼠之間建立起一種「行為合作」關係。「我們看到，當『解碼鼠』犯錯時，『編碼鼠』幾乎也會同時改變它的腦功能和行為，使之更簡單，以便讓它的搭檔做出正確選擇。編碼鼠會改良代表決策的腦活動的信噪比，使信號更清晰而易於探測。」尼科萊利斯說，「它會做出更快、更清晰的決策，選擇正確的槓桿按下去。當『編碼鼠』調整後，無一例外地『解碼鼠』做出正確選擇的概率也會變高。這樣一來，它們兩個都會得到更多獎勵。」第二組實驗是用鬍鬚辨別洞口的寬窄：如果洞口狹窄，小鼠要用鼻子碰一下房間左側的水口，就能得到獎勵；如果洞口較寬，則碰右側的水口能得到獎勵。然後，研究人員訓練「解碼鼠」把「刺激脈衝」和「左邊水口」聯繫在一起，即有腦電脈衝時，選左邊的水口能得到獎勵；沒有脈衝時，選右邊水口能得到獎勵。在實驗中，當編碼鼠探測到洞口為「寬」時，把它的選擇傳給解碼鼠，由此解碼鼠選擇正確的概率為65%，明顯高於隨機選擇。「千里之外」和「群體之間」的默契為了測試腦對腦通訊能達到多遠，研究人員還將一隻「編碼鼠」帶到了巴西，放在納塔爾的埃德蒙與莉莉·薩弗瑞國際神經科學研究所（ELS-IINN），通過互聯網把它的腦信號傳給遠在美國北卡羅來納州杜克大學的「解碼鼠」。這兩隻小鼠仍能共同合作，完成這項觸覺辨別任務。「兩隻小鼠不在同一個大陸時，會產生噪音傳輸和信號延遲。即使這樣，它們仍能保持溝通交流。」論文第一作者、博士後米格爾·派斯-維埃拉說，「這告訴我們，造出一個由身處不同位置的動物的大腦構成、行之有效的腦網路是可能的。」尼科萊利斯補充說：「這些實驗證明，我們能在鼠腦之間建立起複雜的直接通訊連接，即由『一個中心、兩個大腦』組成的神經系統。『解碼鼠』的大腦就像一種『模式識別』設備。從本質上說，我們是在創建一種會解決問題的『有機計算機』。但是在此，輸入的不是指令，而是代表『編碼鼠』決策的腦電信號，『解碼鼠』則憑藉這一信號來解決問題。」理論上這一系統不受大腦數量的限制，也可以是多個大腦組成的網路，或稱「腦網」。尼科萊利斯說，他們正在和ELS-IINN的研究人員一起實驗，將更多小鼠大腦連在一起，形成一種「有機計算機」，讓一群動物共享運動和感覺信息，讓它們共同合作，完成更複雜的行為任務。研究人員指出，「腦對腦介面」能在一對腦或多腦網路之間實現信息交流、處理和存儲。以此為基礎，還可以進一步研究新型社會互動、生物計算設備等。尼科萊利斯說：「當多個鼠腦連在一起互相作用時，我們無法預測會出現什麼新情況。理論上，多腦結合可能提供單個大腦想不出的解決方案。」此外，這種連接還意味著一隻小鼠能把其他鼠的「自我」感覺和自己的「自我」合併在一起。「根據我們對『解碼鼠』感知皮層的分析，發現它們的觸覺皮層區不僅能表徵自己的鬍鬚，還能表徵『編碼鼠』的鬍鬚。它的皮質神經元能對兩套鬍鬚傳來的觸覺信息起反應，這表明小鼠對它自體之外的另一個身體產生了另一套表徵。」進一步研究這種調適性，還可能帶來一個全新的領域——社會互動神經生理學。（記者 常麗君 綜合外電）《科技日報》（2013-3-26 八版）(中國科技網)責編：王冠
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