大脑刻录机

2009年07月28日 07:12
来源：第一财经日报

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谭薇/编译

美国科学家在脑机接口(brain-computer interface，BCI)研究中再度取得重大突破。动物实验证明，大脑不仅可以凭借思维控制电脑光标和机械臂等外部设备，甚至可以像刻录机一样记录特定的细胞放电模式，完成各种新任务。这一研究成果将给脑机交互实验的设计理念带来根本性的改变。

尽管该实验是以猴子为对象，不过研究人员认为这一成果亦可适用于人类。实验证明，学会用思维控制物体运动并不像学习打球或骑车那么简单。在以往的实验中，计算机接口可以建立思维对运动的控制，只是每运作一次，大脑都会发出一套全新的指令，这就好比你每日起床后都得学会操纵自己身上新长出的胳膊一样。

在最近的实验中，猴子们学会了以同一种神经元放电模式来移动电脑光标，所需调动的脑细胞数量也大大降低。实验的主持者、加利福尼亚大学伯克利分校(University of California, Berkeley)计算机与认知科学助理教授乔斯·M·卡曼纳(Jose M. Carmena)指出，该研究第一次证明了大脑具备类似于刻录机的功能，它可以形成运动记忆(motor memory)，逐步建立神经元对外部设备的控制，这一原理与大脑操纵人体四肢的方式如出一辙。

一般而言，约有75至100个大脑细胞负责控制物体的运动。在本次实验中，这些细胞的活动模式都会被植入大脑内部的电极一一记录下来。之后猴子的肢体被固定起来，而研究人员只需观察细胞的运动模式便可预测它的活动倾向或意图，负责接收和解读其运动信号的是一个所谓的解码器。它实质上是一种计算机算法，可以将大脑信号转化为机器可执行的命令。鉴于电极活动和细胞变化所导致的易变性，研究者认为，负责控制运动的细胞组每天都会发生更替。因此他们每日都会重新校准解码器，而实验猴则需要重新学习如何用思维控制电脑光标或机械臂。

随之而来的问题是，假如保持解码器的稳定，是否可以使最初的随机神经元组形成一个稳定的运动记忆？大脑能否学会这一新技能？在实验中，卡曼纳博士的团队训练两只猴子使用操纵杆将计算机的光标移动至一个蓝色的目标，并为这种运动选取了特定的解码器。在接下来的十九天内，两只猴子都在不断地练习用思维操纵光标。一开始，它们并不能总是击中目标。不过随着时间的推移，细胞的放电模式逐渐变得稳定，而猴子们也拥有了一个稳定的心理模型。卡曼纳博士指出，这与人们学会骑车或打球的过程可以说是如出一辙。一开始，你无法协调四肢的动作，然而经过一段时间，大脑会像刻录机一样记录下这一特定的运动模式。

接下来，卡曼纳博士决定对猴子的记忆进行测试。他将目标的颜色改成了黄色。在数天内，猴子们便用同一组细胞完成了这一新的任务。不仅如此，它们还同时拥有两套互不干扰的心理地图，因而可在不同的任务之间切换自如。这就好比将学习网球的地点从红土场地换到草地，或者说像是在山地自行车和公路自行车之间来回转换。

简言之，大脑可以调动同一套神经元来应付新的任务，进行不同运动并习得多种技能。华盛顿大学(University of Washington)的脑机接口专家埃伯哈德·E·费茨(Eberhard E. Fetz)认为，这一结果非常具有“戏剧性且令人吃惊”，它证明大脑比人类想象的更为聪明。卡曼纳博士认为，如果能够解决脑机接口的安全性问题，那么未来瘫痪病人对假肢的操纵也将与正常人的肢体动作无异。