大腦芯片首次進(jìn)行人類(lèi)測試 增強記憶指日可待？

　　每年都有數以百萬(wàn)計的人經(jīng)歷著(zhù)失憶的痛苦。原因有很多：比如大量退伍軍人和足球運動(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)生物醫學(xué)工程師Theodore Berger博士，正在測試一個(gè)增強記憶的植入設備，該設備能模仿形成新長(cháng)時(shí)記憶時(shí)的信號處理過(guò)程。

　　這一革命性的植入式設備已經(jīng)有助于小鼠和猴子的記憶編碼(memory encoding)，現在它正在人類(lèi)癲癇癥患者身上進(jìn)行測試，這是令人非常興奮開(kāi)端，會(huì )加速記憶修復領(lǐng)域的快速發(fā)展。然而，為了達到這一目標，團隊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)細節，但至少要提出一個(gè)合適的模型?！府斎蝗藗儠?huì )問(wèn)：你能用一臺設備來(lái)模擬它嗎?你能讓這一設備在任意的大腦中運行嗎?正是這些事情讓人們認為我瘋了。他們認為這太難了?！笲erger說(shuō)，但研究是團隊邁出了堅實(shí)的第一步。

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

　　通過(guò)追蹤動(dòng)物學(xué)習時(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(海馬體的輸入端)傳輸到 CA1(海馬體的輸出端)的強烈電子信號。記憶受損的人腦中，這一信號會(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)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(xiàn)性特性：信號經(jīng)常有噪音且同時(shí)在不斷重疊，這就導致某些輸入信號被抑制或增強。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 )被放大從而導致輸出的巨大變化。這就像個(gè)混沌的黑盒子。然而，在現代計算技術(shù)的幫助下， Berger認為他掌握了大概的解決方案：用其數學(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。

　　團隊首先用小鼠進(jìn)行簡(jiǎn)單的任務(wù)。他們訓練小鼠推兩個(gè)控制桿來(lái)獲得美味食物，然后記錄當小鼠選擇了正確的控制桿時(shí)，其海馬體內從 CA3區到CA1區的一系列電子脈沖。他們詳細記錄了將短時(shí)記憶轉化為長(cháng)時(shí)記憶的信號轉換方式，然后用這些信息(記憶本質(zhì)是電子信號)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)阻斷其形成與存儲長(cháng)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，之后用記憶編碼向 CA1區(輸出端)放出脈沖。結果十分有效，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。

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

　　將電極植入猴子的大腦中，團隊給猴子看了一系列半重復圖像，然后捕捉猴子認出之前看過(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」編程的電極引導大腦信號處理過(guò)程回歸正軌，猴子的記憶力明顯提升。一年后，團隊進(jìn)一步確認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(lèi)記憶植入物

　　去年，該團隊開(kāi)始謹慎地在人類(lèi)志愿者身上測試其記憶植入物。由于大腦手術(shù)有風(fēng)險，團隊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。癲癇反復發(fā)作會(huì )慢慢損壞海馬體中形成長(cháng)時(shí)記憶的關(guān)鍵部位，因此如果植入物能起作用，對這些患者也有好處。

　　團隊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(zhù)志愿者們不斷進(jìn)行訓練，團隊記錄了CA1區和 CA3區的放電模式。利用這些數據，團隊開(kāi)發(fā)出一種算法(一個(gè)特殊的人類(lèi)記憶編碼)，可以預測根據CA3區的輸入，CA1區細胞的活動(dòng)模式。與大腦的實(shí)際放電模式相比，該算法的預測正確率大約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)始用輸入信號的類(lèi)似物來(lái)刺激輸出細胞。雖然助理教授宋冬承認他們已經(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。由于海馬體不像運動(dòng)皮層與身體不同部位有清晰的對應關(guān)系，其活動(dòng)并不能被明顯地看到，因此宋的謹慎十分必要。

　　「很難解釋為什么刺激輸入端會(huì )得出可預測的結果，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?！筊IKEN腦科學(xué)研究所McHugh博士說(shuō)，「但數據是令人信服的?！苟?，Berger欣喜若狂道：「我沒(méi)想到這可以用于人類(lèi)大腦?！?/p>

　　但工作還遠未完成。未來(lái)幾年內， Berger想看看芯片是否能在不同的情況下幫助重建長(cháng)時(shí)記憶。畢竟目前該算法只是基于團隊所記錄的一種特殊情況，它對不同類(lèi)型的輸入是否都有效呢?Berger認為有可能且依舊充滿(mǎn)希望，也認為他們會(huì )發(fā)現一個(gè)完美適應大多數條件的模型，畢竟大腦受限于其自身的生理結構，因此海馬體中的電信號處理模式就那么多?！肝覀兊哪繕耸翘岣哂洃泧乐厥軗p的人的生活質(zhì)量，」Berger說(shuō)，「如果我能恢復其形成長(cháng)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>