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

入睡后，我們的大腦會(huì)進(jìn)入離線(xiàn)狀態(tài)，開(kāi)啟 Replay 模式，重現(xiàn)清醒時(shí)的經(jīng)歷，記憶便得以鞏固。

此前科學(xué)家僅在嚙齒動(dòng)物等非人類(lèi)動(dòng)物身上觀(guān)察到過(guò)這一過(guò)程，而在一項(xiàng)腦-機(jī)接口的試點(diǎn)臨床試驗(yàn)中，美國(guó)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(lèi)參與者的大腦運(yùn)動(dòng)皮層中觀(guān)察到了習(xí)得神經(jīng)激發(fā)序列的重放過(guò)程。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間 2020 年 5 月 5 日，（Cell Reports）期刊在線(xiàn)發(fā)表了該團(tuán)隊(duì)題為 Replay of Learned Neural Firing Sequences during Rest in Human Motor Cortex（睡眠時(shí)人類(lèi)大腦運(yùn)動(dòng)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(jí)部分，左右兩個(gè)大腦半球表面都有著一層灰質(zhì)，也就是我們常說(shuō)的「大腦皮層」（cerebral cortex）。

雷鋒網(wǎng)(公眾號(hào)：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(gè)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(dòng)過(guò)程，并起著調(diào)節(jié)機(jī)體與周?chē)h(huán)境的平衡的作用，因此大腦皮層可謂是人類(lèi)高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

而在大腦皮層中，有一塊參與計(jì)劃、控制和執(zhí)行自主運(yùn)動(dòng)的區(qū)域，也就是「運(yùn)動(dòng)皮層」（Motor cortex）。

上述研究團(tuán)隊(duì)的腦-機(jī)接口試點(diǎn)臨床試驗(yàn)就是從運(yùn)動(dòng)皮層為切入點(diǎn)展開(kāi)的——研究人員在參與者的大腦中各長(zhǎng)期放置了兩個(gè) 1.5 毫米的 96 通道硅微電極陣列（96-channel silicon microelectrode arrays）。

實(shí)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(wú)法追蹤單個(gè)神經(jīng)元的峰值活動(dòng)。但我們臨床試驗(yàn)中使用的電極陣列是第一個(gè)允許在人類(lèi)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(diǎn)上，我們的研究都是史無(wú)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(shuō)話(huà)。其中，參與者 T9 在參與這項(xiàng)研究前植入硅微電極陣列已有 11 個(gè)月，T10 在參與這項(xiàng)研究前植入硅微電極陣列有 3 個(gè)月。

通過(guò)兩位參與者大腦運(yùn)動(dòng)皮層的放電活動(dòng)，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(xiàn)重放」（offline replay of specific learning-related neural firing rate sequences）的直接證據(jù)。

雷鋒網(wǎng)通過(guò)美國(guó)臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù) ClinicalTrials 了解到，這項(xiàng)試驗(yàn)名為 BrainGate2，而上述硅微電極陣列也被稱(chēng)為 BrainGate2 傳感器（BrainGate2 sensor）。這項(xiàng)試驗(yàn)旨在推動(dòng)腦-機(jī)接口技術(shù)的開(kāi)發(fā)，從而使四肢癱瘓的患者能夠利用其神經(jīng)活動(dòng)控制計(jì)算機(jī)、機(jī)械臂等設(shè)備，其主要終點(diǎn)是確定 BrainGate2 神經(jīng)接口系統(tǒng)的安全性，次要終點(diǎn)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(xiàng)試驗(yàn)始于 2009 年 5 月，最終完成時(shí)間預(yù)計(jì)在 2022 年 12 月。研究人員至少每周會(huì)對(duì)參與者進(jìn)行一次神經(jīng)記錄，持續(xù)記錄時(shí)間至少一年。

實(shí)際上，試驗(yàn)的過(guò)程可以用下面這幅圖形象地表示。

具體來(lái)講，兩名參與者參與了一個(gè)「序列復(fù)制游戲」（sequence-copying game），這個(gè)游戲類(lèi)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(gè)彩色板塊，按不同的順序點(diǎn)亮，玩家需要重復(fù)特定的順序，再次點(diǎn)亮色塊。

而試驗(yàn)中這一游戲的特別之處就在于，不需要參與者移動(dòng)手臂，只需用他們的思維來(lái)想象他們?cè)谟檬挚刂乒鈽?biāo)快速移動(dòng)，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(huì)兒（各 20-30 分鐘），在休息-玩游戲-休息的過(guò)程中，研究人員便通過(guò) 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(dòng)。

基于上述特點(diǎn)，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(gè)過(guò)程中有 66 次呈現(xiàn)重復(fù)序列，22 次控制序列。

試驗(yàn)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(shí)游戲時(shí)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(shí)“離線(xiàn)重播”的直接證據(jù)。

正如 Beata Jarosiewicz 所說(shuō)：

這是第一個(gè)直接證明人類(lèi)在睡眠中大腦會(huì)回放清醒時(shí)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(dòng)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(shí)際上這也適用于人類(lèi)。

值得一提的是，該研究團(tuán)隊(duì)來(lái)自 BrainGate——一個(gè)專(zhuān)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(chǔ)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(guó)侵入式腦機(jī)接口研究領(lǐng)域的第一梯隊(duì)。

就未來(lái)的研究方向而言，該團(tuán)隊(duì)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