腦機(jī)接口新發(fā)現(xiàn)！睡著后，大腦會回放清醒時的經(jīng)歷

入睡后，我們的大腦會進(jìn)入離線狀態(tài)，開啟 Replay 模式，重現(xiàn)清醒時的經(jīng)歷，記憶便得以鞏固。

此前科學(xué)家僅在嚙齒動物等非人類動物身上觀察到過這一過程，而在一項腦-機(jī)接口的試點臨床試驗中，美國麻省總醫(yī)院、哈佛醫(yī)學(xué)院、布朗大學(xué)、加州大學(xué)圣地亞哥分校等院所的一組科研人員首次在 2 名人類參與者的大腦運動皮層中觀察到了習(xí)得神經(jīng)激發(fā)序列的重放過程。

當(dāng)?shù)貢r間 2020 年 5 月 5 日，（Cell Reports）期刊在線發(fā)表了該團(tuán)隊題為 Replay of Learned Neural Firing Sequences during Rest in Human Motor Cortex（睡眠時人類大腦運動皮層習(xí)得神經(jīng)激發(fā)序列的重放）的論文。

我們的大腦作為人體神經(jīng)系統(tǒng)的最高級部分，左右兩個大腦半球表面都有著一層灰質(zhì)，也就是我們常說的「大腦皮層」（cerebral cortex）。

雷鋒網(wǎng)(公眾號：雷鋒網(wǎng))了解到，大腦皮層的地位不容小覷。大腦皮層約有 140 億個神經(jīng)細(xì)胞，是思維的器官，主導(dǎo)機(jī)體內(nèi)的一切活動過程，并起著調(diào)節(jié)機(jī)體與周圍環(huán)境的平衡的作用，因此大腦皮層可謂是人類高級神經(jīng)活動的物質(zhì)基礎(chǔ)。

而在大腦皮層中，有一塊參與計劃、控制和執(zhí)行自主運動的區(qū)域，也就是「運動皮層」（Motor cortex）。

上述研究團(tuán)隊的腦-機(jī)接口試點臨床試驗就是從運動皮層為切入點展開的——研究人員在參與者的大腦中各長期放置了兩個 1.5 毫米的 96 通道硅微電極陣列（96-channel silicon microelectrode arrays）。

實際上，就為什么采取硅微電極陣列，論文合著者之一 Beata Jarosiewicz 表示：

用于治療帕金森氏癥等病癥的電極太大，無法追蹤單個神經(jīng)元的峰值活動。但我們臨床試驗中使用的電極陣列是第一個允許在人類大腦中進(jìn)行如此詳細(xì)的神經(jīng)記錄的電極陣列。僅僅是在這一點上，我們的研究都是史無前例的。

據(jù)了解，兩位參與者均為四肢癱瘓，目前需要依靠呼吸機(jī)生活，但仍可以說話。其中，參與者 T9 在參與這項研究前植入硅微電極陣列已有 11 個月，T10 在參與這項研究前植入硅微電極陣列有 3 個月。

通過兩位參與者大腦運動皮層的放電活動，研究人員試圖尋找「特定學(xué)習(xí)相關(guān)的神經(jīng)放電速率序列的離線重放」（offline replay of specific learning-related neural firing rate sequences）的直接證據(jù)。

雷鋒網(wǎng)通過美國臨床試驗數(shù)據(jù)庫 ClinicalTrials 了解到，這項試驗名為 BrainGate2，而上述硅微電極陣列也被稱為 BrainGate2 傳感器（BrainGate2 sensor）。這項試驗旨在推動腦-機(jī)接口技術(shù)的開發(fā)，從而使四肢癱瘓的患者能夠利用其神經(jīng)活動控制計算機(jī)、機(jī)械臂等設(shè)備，其主要終點是確定 BrainGate2 神經(jīng)接口系統(tǒng)的安全性，次要終點是確定 BrainGate2 的可行性，并為后續(xù)的大型臨床研究建立參數(shù)。

從下圖可以看出，這項試驗始于 2009 年 5 月，最終完成時間預(yù)計在 2022 年 12 月。研究人員至少每周會對參與者進(jìn)行一次神經(jīng)記錄，持續(xù)記錄時間至少一年。

實際上，試驗的過程可以用下面這幅圖形象地表示。

具體來講，兩名參與者參與了一個「序列復(fù)制游戲」（sequence-copying game），這個游戲類似于八十年代的一款名為（REPEAT）的記憶游戲，游戲視頻中有四個彩色板塊，按不同的順序點亮，玩家需要重復(fù)特定的順序，再次點亮色塊。

而試驗中這一游戲的特別之處就在于，不需要參與者移動手臂，只需用他們的思維來想象他們在用手控制光標(biāo)快速移動，又快又準(zhǔn)地按記憶的順序擊中正確的色塊。

據(jù)悉，研究人員要求參與者在玩游戲（約 20 分鐘）的前后都小睡一會兒（各 20-30 分鐘），在休息-玩游戲-休息的過程中，研究人員便通過 BrainGate2 傳感器記錄下了參與者大腦中大量神經(jīng)元的峰值活動。

基于上述特點，要判斷 BrainGate2 是否可靠，重復(fù)（repeat）與控制（control）序列的數(shù)量是重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)論文，整個過程中有 66 次呈現(xiàn)重復(fù)序列，22 次控制序列。

試驗表明，從游戲前休息到游戲后休息，重復(fù)序列相關(guān)性比控制序列相關(guān)性增加得要多；同時游戲時和游戲后休息期間參與者大腦的神經(jīng)元放電模式相同，這就是人腦睡眠時“離線重播”的直接證據(jù)。

正如 Beata Jarosiewicz 所說：

這是第一個直接證明人類在睡眠中大腦會回放清醒時的學(xué)習(xí)的證據(jù)，這可能有助于鞏固記憶。我們已經(jīng)在其他動物身上研究了幾十年與大腦回放相關(guān)的記憶鞏固機(jī)制，實際上這也適用于人類。

值得一提的是，該研究團(tuán)隊來自 BrainGate——一個專注于發(fā)展修復(fù)性神經(jīng)接口的科學(xué)與醫(yī)學(xué)的學(xué)術(shù)研究聯(lián)盟，其成員包括布朗大學(xué)、麻省總醫(yī)院、凱斯西儲大學(xué)和斯坦福大學(xué)，與NeuraLink 公司（由馬斯克建立）和 Kernel 公司一起，位列美國侵入式腦機(jī)接口研究領(lǐng)域的第一梯隊。

就未來的研究方向而言，該團(tuán)隊希望可以探索大腦重現(xiàn)機(jī)制與記憶形成之間的潛在聯(lián)系。

參考

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(20)30530-1

https://baike.baidu.com/item/%E5%A4%A7%E8%84%91/791360?fr=aladdin

https://www.clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT00912041