洛杉磯南加州大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程師和神經(jīng)學(xué)家西奧多·伯杰認(rèn)為，他已經(jīng)破譯了大腦形成長期記憶的代碼。他設(shè)想，在不遠(yuǎn)的將來，嚴(yán)重失憶的病人可以通過在大腦中植入這樣的芯片，使病人恢復(fù)長期記憶的能力。
洛杉磯南加州大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程師和神經(jīng)學(xué)家西奧多·伯杰。
一位標(biāo)新立異的神經(jīng)學(xué)家認(rèn)為，他已經(jīng)破譯了大腦形成長期記憶的代碼。
西奧多·伯杰是洛杉磯南加州大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程師和神經(jīng)學(xué)家。他設(shè)想，在不遠(yuǎn)的將來，嚴(yán)重失憶的病人可以通過植入電子芯片得到幫助。當(dāng)人們的大腦因為阿爾茨海默氏癥、中風(fēng)或受傷而受到損害，被擾亂的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)往往阻止長期記憶的形成。在過去的二十多年里，伯杰一直在設(shè)計硅芯片，來模擬正常工作的神經(jīng)元之間的信號傳遞。它能使我們回憶起一分多鐘的經(jīng)驗和知識。伯杰希望，最終可以通過在大腦中植入這樣的芯片，使病人恢復(fù)長期記憶的能力。
伯杰說，這個想法是如此膽大包天，以至于很多不在神經(jīng)科學(xué)主流領(lǐng)域的同事都把他看作瘋子。“很久以前，他們就說我是瘋子。”不過，鑒于最近他的研究小組以及幾個親密的合作者進(jìn)行了成功的實驗，伯杰正在擺脫“瘋子”的標(biāo)簽，并且逐漸被當(dāng)作一個有遠(yuǎn)見的先驅(qū)。
伯杰和他的研究伙伴尚未進(jìn)行人體試驗，但他們的實驗表明，通過外部電極連接到鼠腦和猴腦的硅芯片能像真正的神經(jīng)元那樣處理信息。“我們不是在向大腦輸入個人化的記憶。我們是在重建產(chǎn)生記憶的能力。”去年秋天，他們發(fā)布了一個令人印象深刻的實驗。伯杰和他的同事證明，他們還可以幫助猴子從大腦的長期記憶儲存區(qū)檢索那些記憶。
如果“記憶植入”聽起來有點不可信，那么伯杰會以神經(jīng)假體方面的一些最新進(jìn)展作為例子?，F(xiàn)在，通過植入人工耳蝸，有超過20萬聾人可以將聲音轉(zhuǎn)換成電信號，并將它們發(fā)送到聽覺神經(jīng)。同時，早期的實驗表明，植入電極也可以讓癱瘓的人能按自己的意志移動假肢。另外，在將人工視網(wǎng)膜應(yīng)用于盲人方面，研究人員也已取得了初步的成功。
盡管如此，要恢復(fù)大腦中的認(rèn)知，其難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以上任何成就。在過去的35 年里，伯杰一直試圖從根本上了解海馬區(qū)神經(jīng)元的行為方式，因為這一區(qū)域被認(rèn)為是形成記憶的區(qū)域。“這是非常清楚的。”他說，“海馬區(qū)使短期記憶變成長期記憶。”
海馬區(qū)如何完成這個復(fù)雜的壯舉?伯杰開發(fā)了數(shù)學(xué)定理，用來描述電信號如何在海馬區(qū)的神經(jīng)元之間傳遞而形成長期記憶。他已經(jīng)證明了他的方程式與現(xiàn)實相符。“你不需要做大腦做的所有事情，但你至少可以模仿大腦做的某些事情吧?”他問，“你能不能模擬它，并把它放入一個設(shè)備?你能不能將這個設(shè)備植入到任何大腦中?就是這三個問題，導(dǎo)致人們認(rèn)為我瘋了。其實是他們認(rèn)為這很難實現(xiàn)。”
在不遠(yuǎn)的將來，嚴(yán)重失憶的病人可以通過植入電子芯片得到幫助。
記憶代碼的破譯
何為記憶?伯杰的定義是：“這是特定數(shù)量的神經(jīng)元在一段時間內(nèi)所產(chǎn)生的一系列的電脈沖。”他說，“這一點很重要，這意味著你不僅可以從生物學(xué)的角度來理解它，你也有辦法處理它。你可以把一個電極放在那里，然后你可以記錄下所謂‘記憶’的表現(xiàn)。你可以發(fā)現(xiàn)2147 個神經(jīng)元是這段記憶的一部分。它們是怎么連接的?它們產(chǎn)生了一系列脈沖。這不是奇怪的事情，而是一些你應(yīng)付得來的事情。這是非常有用的，告訴你究竟發(fā)生了什么。”
這是對于記憶的傳統(tǒng)觀點，但它只停留在表面。伯杰和他的同事在探索大腦這個神秘層面的時候，試圖研究得更深入些。神經(jīng)科學(xué)家通過監(jiān)測神經(jīng)元表面的動作電位和微伏變化，來跟蹤大腦中電波信號的傳播。伯杰說，他們的報告和實際發(fā)生的相比，往往過于簡單化。“他們發(fā)現(xiàn)環(huán)境中的一個重要事件，然后對動作電位進(jìn)行計數(shù)。他們往往會說，‘在我做了某件事情之后，數(shù)量從1 升到了200。
我發(fā)現(xiàn)了一些有趣的事情。’‘你找到了什么?’‘‘動作電位上升了。’但是你有什么發(fā)現(xiàn)?‘動作電位上升了。’那又怎么樣呢?它是在編碼嗎?它傳遞的是下一個神經(jīng)元所需要的東西嗎?它使下一個神經(jīng)元做什么不同的事情嗎?這才是我們應(yīng)該做的：解釋事物，而不僅僅是描述所看到的事情。”
在哈佛的研究生院，伯杰的導(dǎo)師理查德·湯普森專注于研究信息定位和因?qū)W習(xí)所引發(fā)的大腦變化。湯普森使用色調(diào)和一股氣流使兔子眨眼睛，希望可以找到他所誘導(dǎo)的記憶儲存在大腦的什么位置。這個想法是為了找到大腦中用于學(xué)習(xí)的特定區(qū)域。伯杰說：“如果動物的確學(xué)習(xí)了，然后你又將它移除了，那么它就不會記得了。”
湯普森在伯杰的幫助下才做到這一點，他們在1976 年公布了研究結(jié)果。為了找到兔子大腦中的那個區(qū)域，他們給小動物的大腦安裝了電極，這樣就可以監(jiān)控一個神經(jīng)元的活動。神經(jīng)元的外膜有控制物質(zhì)出入的閥，可以讓帶電粒子進(jìn)出，比如鈉和鉀。湯普森和伯杰記錄下了兔子進(jìn)行記憶時，海馬區(qū)神經(jīng)元的尖端電脈沖。
電脈沖的峰值幅度(代表動作電位)和它們的間隔分布，都形成了一定的規(guī)律。伯杰認(rèn)為，這個相對于時間的細(xì)胞反應(yīng)規(guī)律應(yīng)該不是偶然發(fā)生的。
這個發(fā)現(xiàn)奠定了他目前工作的基礎(chǔ)：當(dāng)細(xì)胞接收和發(fā)送電信號時，輸入和輸出的數(shù)量關(guān)系有什么樣的特定規(guī)律?也就是說，當(dāng)一個神經(jīng)元在一個特定的時間和地點發(fā)送電波信號，那么它鄰近的神經(jīng)元究竟會做出的什么樣的響應(yīng)?這個答案可以揭開神經(jīng)元形成長期記憶的原理。
但很快，伯杰就發(fā)現(xiàn)這個答案是極其復(fù)雜的。在20世紀(jì)80年代后期，伯杰在匹茲堡大學(xué)和羅伯特·斯卡拉巴斯一起工作。他們被海馬區(qū)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種屬性深深吸引，他們用電脈沖(輸入)刺激兔子的海馬區(qū)，然后將不同數(shù)量的神經(jīng)元集合之間的信號傳遞(輸出)路徑繪制下來，結(jié)果他們觀察到這兩者之間不是線性關(guān)系。“比方說，你輸入1，得到2。”伯杰說，“那就很簡單，這是一個線性關(guān)系。不過，我們發(fā)現(xiàn)，在大腦中基本沒有可能可以監(jiān)測到線性活動，或者線性求和。它總是非線性的。”信號之間會重疊，其中有一些神經(jīng)元是抑制輸入的脈沖信號的，而另一些則是加劇了信號傳輸。
到20 世紀(jì)90 年代初，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，他的研究開始進(jìn)入一個高級階段。他可以和南加州大學(xué)工程學(xué)院的同事用電腦芯片來模擬部分海馬區(qū)的信號處理系統(tǒng)。“情況開始變得明朗，如果我能讓這個東西在大量硬件中運轉(zhuǎn)，那么我已經(jīng)成功復(fù)制了大腦的某些部分。那為什么不把它植入大腦呢?所以，在其他人遠(yuǎn)還沒有想到的時候，我就開始思考神經(jīng)假體的問題。”
在過去的二十多年里，伯杰一直在設(shè)計硅芯片，來模擬正常工作的神經(jīng)元之間的信號傳遞。它能使我們回憶起一分多鐘的經(jīng)驗和知識。伯杰希望，最終可以通過在大腦中植入這樣的芯片，使病人恢復(fù)長期記憶的能力。
可以植入大腦的假體
后來，伯杰開始和南加州大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師瓦西里斯·馬邁萊力斯一起工作，制造大腦假體。他們最初研究的是鼠腦海馬區(qū)的切片。神經(jīng)元信號是從海馬區(qū)的一端傳遞到另一端，所以研究人員隨機地將脈沖輸入海馬區(qū)，然后記錄下不同位置的信號來看它們是如何轉(zhuǎn)化的。之后，他們用數(shù)學(xué)方程式來描述轉(zhuǎn)化過程，將這些方程式應(yīng)用于計算機芯片。
接下來，為了測試這樣的芯片是否可以作為假體用于受損的海馬區(qū)域，研究人員研究了它們是否可以繞過大腦切片路徑中的核心組成部分。植入這個區(qū)域的電極將電脈沖傳遞到一個外部芯片，在那里完成通常在海馬區(qū)完成的信號轉(zhuǎn)換。其他電極將信號傳輸回大腦切片。
然后，研究人員進(jìn)行了飛躍性的嘗試，將電腦芯片植入老鼠活體內(nèi)，結(jié)果顯示它的確可以作為海馬區(qū)的人工組成部分而運轉(zhuǎn)。他們開始訓(xùn)練動物進(jìn)行兩種壓力測試，動物選擇對了就可以美餐一頓，接著記錄下它們海馬區(qū)的一系列脈沖變化。通過這些數(shù)據(jù)，伯杰和他的團(tuán)隊給信號轉(zhuǎn)化的過程建立模型，因為他們認(rèn)為這個測試被儲存成了長期記憶。然后，他們提取代表這個記憶本身的代碼。通過記錄老鼠學(xué)習(xí)這項任務(wù)時大腦中的信號變化，他們證明了他們的設(shè)備可以從輸入的信號中生成長期記憶的代碼。然后，他們給老鼠喂食一種可以打亂它們長期記憶能力的藥物，讓它們忘記哪種測試可以帶來美餐。接著，研究人員給吃了藥的老鼠大腦輸入一定的脈沖信號，這些老鼠又可以對測試作出正確的選擇。
去年，科學(xué)家們發(fā)表了靈長類動物大腦額葉皮層的實驗報告。額葉皮層具有檢索功能，可以檢索海馬區(qū)生成的長期記憶。他們將電極植入猴子大腦，來捕捉前額皮層的信號。他們認(rèn)為這個部位能夠使小動物記住之前看到過的圖像。然后，他們給猴子喂食了可卡因，使大腦生成圖像的部位受到損害。再將電子芯片植入猴子大腦的前額皮層，給予正確的脈沖刺激，研究人員發(fā)現(xiàn)這可以顯著地提升它們對圖像的記憶功能。
伯杰和他的同事們希望，在未來兩年內(nèi)，可以在動物體內(nèi)植入真正的記憶假體。他們也想證明，他們研究的海馬區(qū)芯片可以在很多不同的行為情境里幫助形成長期記憶。“我們的目標(biāo)是幫助嚴(yán)重失憶的人提升他們的生活品質(zhì)。如果我可以幫助他們恢復(fù)一半長期記憶的能力，我肯定會高興壞了，病人們肯定也會很高興。”
伯杰還在和南加州大學(xué)的臨床醫(yī)生一起合作，后者正在嘗試將電極植入海馬區(qū)的兩翼來監(jiān)測并且預(yù)防嚴(yán)重癲癇患者的癲癇發(fā)作。如果這個項目可以如設(shè)想那樣向前推進(jìn)，那么伯杰的研究小組將搭載在這個試驗中去尋找這些病人的大腦記憶代碼。“我從來沒有想過我會活著看到這一天，但現(xiàn)在我想我會看到的。”伯杰最后表示。
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