大腦芯片首次進(jìn)行人類測(cè)試 增強(qiáng)記憶指日可待？

　　每年都有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的人經(jīng)歷著失憶的痛苦。原因有很多：比如大量退伍軍人和足球運(yùn)動(dòng)員的創(chuàng)傷性腦損傷，比如老年人的腦中風(fēng)和老年癡呆癥;甚至我們所有人都會(huì)經(jīng)歷的大腦正常老化。記憶的喪失似乎不可避免，但是一位特立獨(dú)行的神經(jīng)科學(xué)家正致力于電子療法。由DARPA資助的南加州大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師Theodore Berger博士，正在測(cè)試一個(gè)增強(qiáng)記憶的植入設(shè)備，該設(shè)備能模仿形成新長(zhǎng)時(shí)記憶時(shí)的信號(hào)處理過(guò)程。

　　這一革命性的植入式設(shè)備已經(jīng)有助于小鼠和猴子的記憶編碼(memory encoding)，現(xiàn)在它正在人類癲癇癥患者身上進(jìn)行測(cè)試，這是令人非常興奮開(kāi)端，會(huì)加速記憶修復(fù)領(lǐng)域的快速發(fā)展。然而，為了達(dá)到這一目標(biāo)，團(tuán)隊(duì)的首要工作是破解記憶編碼。

　　解碼記憶

　　一開(kāi)始，Berger就知道他所面臨的是個(gè)大問(wèn)題。他們不追求匹配記憶處理過(guò)程中的每個(gè)細(xì)節(jié)，但至少要提出一個(gè)合適的模型?！府?dāng)然人們會(huì)問(wèn)：你能用一臺(tái)設(shè)備來(lái)模擬它嗎?你能讓這一設(shè)備在任意的大腦中運(yùn)行嗎?正是這些事情讓人們認(rèn)為我瘋了。他們認(rèn)為這太難了?！笲erger說(shuō)，但研究是團(tuán)隊(duì)邁出了堅(jiān)實(shí)的第一步。

　　海馬體是深埋在大腦褶皺和溝回中的一個(gè)區(qū)域，是將短時(shí)記憶轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)時(shí)記憶的關(guān)鍵部位。在海馬體的中心，記憶是由特定數(shù)量的神經(jīng)元在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的一系列電子脈沖。這點(diǎn)非常重要，這意味著該過(guò)程可以化簡(jiǎn)為數(shù)學(xué)方程，并形成計(jì)算框架。對(duì)于這一問(wèn)題的探索，Berger并不孤獨(dú)。

　　通過(guò)追蹤動(dòng)物學(xué)習(xí)時(shí)的神經(jīng)元激活情況，神經(jīng)科學(xué)家們開(kāi)始破譯海馬體中支持記憶編碼的信息流。這一過(guò)程的關(guān)鍵點(diǎn)是從CA3區(qū)(海馬體的輸入端)傳輸?shù)?CA1(海馬體的輸出端)的強(qiáng)烈電子信號(hào)。記憶受損的人腦中，這一信號(hào)會(huì)受阻，因此如果能用硅芯片重新創(chuàng)造它，我們就能重塑(甚至增強(qiáng))記憶。

　　縮小差距

　　這一大腦的記憶編碼很難破解，原因在于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性特性：信號(hào)經(jīng)常有噪音且同時(shí)在不斷重疊，這就導(dǎo)致某些輸入信號(hào)被抑制或增強(qiáng)。在一個(gè)有成百上千個(gè)神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)中，任何微小的改變都會(huì)被放大從而導(dǎo)致輸出的巨大變化。這就像個(gè)混沌的黑盒子。然而，在現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的幫助下， Berger認(rèn)為他掌握了大概的解決方案：用其數(shù)學(xué)定理為芯片編程，然后看看大腦是否能接受該芯片作為替代物或者記憶模塊。

　　團(tuán)隊(duì)首先用小鼠進(jìn)行簡(jiǎn)單的任務(wù)。他們訓(xùn)練小鼠推兩個(gè)控制桿來(lái)獲得美味食物，然后記錄當(dāng)小鼠選擇了正確的控制桿時(shí)，其海馬體內(nèi)從 CA3區(qū)到CA1區(qū)的一系列電子脈沖。他們?cè)敿?xì)記錄了將短時(shí)記憶轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)時(shí)記憶的信號(hào)轉(zhuǎn)換方式，然后用這些信息(記憶本質(zhì)是電子信號(hào))來(lái)編程外部記憶芯片。

　　然后他們給小鼠注入一種能暫時(shí)阻斷其形成與存儲(chǔ)長(zhǎng)時(shí)記憶能力的藥物，使得小鼠忘記了推哪個(gè)控制桿能找到食物這件事。然后他們將微電極植入其海馬體內(nèi)，之后用記憶編碼向 CA1區(qū)(輸出端)放出脈沖。結(jié)果十分有效，通過(guò)外部記憶模塊，小鼠重新獲得了選擇正確控制桿的能力。

　　受到好結(jié)果的鼓勵(lì)，Berger接下來(lái)在猴子身上試驗(yàn)了記憶植入物，這次所關(guān)注的大腦區(qū)域叫做前額葉皮層(prefrontal cortex)，該區(qū)域的功能是接收和調(diào)節(jié)由海馬區(qū)編碼的記憶。

　　將電極植入猴子的大腦中，團(tuán)隊(duì)給猴子看了一系列半重復(fù)圖像，然后捕捉猴子認(rèn)出之前看過(guò)的圖像時(shí)的前額葉皮層的活動(dòng)。然后，他們用大量的可卡因抑制大腦特定區(qū)域阻斷猴子的記憶。然后，研究者用由「記憶編碼」編程的電極引導(dǎo)大腦信號(hào)處理過(guò)程回歸正軌，猴子的記憶力明顯提升。一年后，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步確認(rèn)了他們的記憶植入物能拯救由于海馬體受損而記憶缺失的猴子。

　　人類記憶植入物

　　去年，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)始謹(jǐn)慎地在人類志愿者身上測(cè)試其記憶植入物。由于大腦手術(shù)有風(fēng)險(xiǎn)，團(tuán)隊(duì)招募了大腦中已有用來(lái)追蹤癲癇發(fā)病根源植入電極的12名癲癇患者。癲癇反復(fù)發(fā)作會(huì)慢慢損壞海馬體中形成長(zhǎng)時(shí)記憶的關(guān)鍵部位，因此如果植入物能起作用，對(duì)這些患者也有好處。

　　團(tuán)隊(duì)讓志愿者看一系列圖片，90秒之后讓他們回憶之前所看到的圖片。隨著志愿者們不斷進(jìn)行訓(xùn)練，團(tuán)隊(duì)記錄了CA1區(qū)和 CA3區(qū)的放電模式。利用這些數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種算法(一個(gè)特殊的人類記憶編碼)，可以預(yù)測(cè)根據(jù)CA3區(qū)的輸入，CA1區(qū)細(xì)胞的活動(dòng)模式。與大腦的實(shí)際放電模式相比，該算法的預(yù)測(cè)正確率大約80%。

　　雖然這并不完美，但這是個(gè)很好的開(kāi)始。利用這一算法，研究者開(kāi)始用輸入信號(hào)的類似物來(lái)刺激輸出細(xì)胞。雖然助理教授宋冬承認(rèn)他們已經(jīng)用該方法治愈了一位女性癲癇患者，但他依舊十分謹(jǐn)慎，只說(shuō)雖然看到了希望，但說(shuō)成功還為時(shí)尚早。由于海馬體不像運(yùn)動(dòng)皮層與身體不同部位有清晰的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其活動(dòng)并不能被明顯地看到，因此宋的謹(jǐn)慎十分必要。

　　「很難解釋為什么刺激輸入端會(huì)得出可預(yù)測(cè)的結(jié)果，也很難說(shuō)這樣的植入物能拯救那些由于海馬體輸出端受損而記憶缺失的人。」RIKEN腦科學(xué)研究所McHugh博士說(shuō)，「但數(shù)據(jù)是令人信服的?！苟遥珺erger欣喜若狂道：「我沒(méi)想到這可以用于人類大腦?！?/p>

　　但工作還遠(yuǎn)未完成。未來(lái)幾年內(nèi)， Berger想看看芯片是否能在不同的情況下幫助重建長(zhǎng)時(shí)記憶。畢竟目前該算法只是基于團(tuán)隊(duì)所記錄的一種特殊情況，它對(duì)不同類型的輸入是否都有效呢?Berger認(rèn)為有可能且依舊充滿希望，也認(rèn)為他們會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)完美適應(yīng)大多數(shù)條件的模型，畢竟大腦受限于其自身的生理結(jié)構(gòu)，因此海馬體中的電信號(hào)處理模式就那么多?！肝覀兊哪繕?biāo)是提高記憶嚴(yán)重受損的人的生活質(zhì)量，」Berger說(shuō)，「如果我能恢復(fù)其形成長(zhǎng)時(shí)記憶一半的能力，我會(huì)高興得要命，大部分患者也會(huì)十分開(kāi)心?！?/p>