研究人员利用一种神经植入设备,在猴子身上恢复了某个已经受损丢失的决策过程,证实了神经假体能够恢复灵长动物脑部的认知功能。这些研究结果显示,神经植入设备某天可能被用来帮助脑损伤或患有局部大脑疾病的人恢复一些大脑功能。
虽然今天的这些研究结果可能还需要经过很多年才会能转化到人类中,但是它们显示了大脑芯片某天甚至能够增强认知过程,比如决定是否要拿起一杯咖啡,或者记起自己把钥匙放在哪儿了。
之前,瘫痪的病人已经使用了大脑植入物和脑机界面来控制机器手臂。全世界有8万多名帕金森病人植入了深层脑部刺激物,其功能就像一个节律器,可以减少身体的颤抖和其他身体移动方面的困难。不过,在新研究中,植入的设备实际可以解码来自大脑某个部分的神经输入,然后有效地把那些输出的内容传达给大脑的另一个区域。
在一项记忆任务中,研究人员用一列电极来记录猴子前额皮质中的神经电活动。前额皮质参与大脑的决策过程,主导和记忆或其他信息处理过程相关的多种认知反应。
实验中,5只猴子被训练来玩一个图片配对游戏:先让它们看屏幕上的一幅图,然后它们要移动手部操控光标,在1到90秒的过程里,把光标移到和最早看到的那幅图相同的图片上。
这种选择动作的决策不同于简单的反射性动作。“猴子们需要找出那幅图,然后选择做出某个动作,把光标移到那幅图上。”北卡罗来纳州温斯顿塞勒姆市的威克森林浸信医学中心(wake forest baptist medical center)的脑科学家,也是这项研究的通讯作者山姆•戴德威勒(Sam Deadwyler)说。
研究团队根据对前额皮质的活动纪录推导出一个参与动作决策的神经电活动的数学模型。研究作者们之前已经演示过,在带有神经植入物的大鼠身上,这种名为MIMO(多项输入/多项输出的缩写)的数学模型能够诠释和恢复记忆。
在这次新研究中,这种模型接收某个脑层(该脑层把和找图片的任务相关的感觉信息整合起来)生成的多个信号,然后提取相关的信息以选择一个特定的动作。植入的设备能够刺激神经元以影响移动手部选择正确图片的决定。
为了测试植入设备改善或恢复决策过程的能力,研究人员给猴子静脉注射了会破坏决策的可卡因。在没有植入设备发生作用的情况下,受可卡因影响的猴子们常常无法选出正确的图片。但在有植入设备时,即使受可卡因的影响,它们的决策能力仍和正常水平相当,如果不是更好的话。
戴德威勒猜测甚至可以在人类身上生成针对某些具体任务的普遍模式(就像已经在大鼠身上展示的那样),这样一名大脑受损的病患就可以获得经过认知数学模型编码的植入设备。这种数学模型是从健康人脑推演而来的。“只要你能够提炼出导入的信息,为其生成正常的输出模式,你就可以绕过损坏的大脑连接部分。”