[Nature][神经科学] 用来进行实时感觉运动信息分享的一个脑对脑接口

论文： A Brain-to-Brain Interface for Real-Time Sharing of Sensorimotor Information 用来进行实时感觉运动信息分享的一个脑对脑接口 论文摘要（中文）： http://www.jijitang.com/note/4530 论文全文（英文）： http://www.nature.com/srep/2013/130228/srep01319/full/srep01319.html 相关唧唧堂调查主题：暂无 －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－ 论文摘要 一个脑对脑界面（BTBI）使得两只老鼠大脑间得以传送行为上有意义的感觉信息。 在这个界面上（BTBI），一个编码老鼠执行需要其从两个触觉或者视觉刺激的选项中进行选择的感觉任务。当一个编码老鼠在执行这个任务的时候，它的皮层活动样本通过其大脑皮层内微电流刺激被转送到匹配的皮质区。 编码老鼠学会了做出类似的行为选择，单纯通过其大脑提供的信息。 这个结果表明一个复杂的系统通过联结动物的大脑形成了。 并说明BTBI可以使得动物间的大脑形成网络以支持信息交换，处理和储存，因此，BTBI可以说成为学习神经类型和社会交互的基础并且当作一个生物计算设备来运作。 －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－ “脑对脑接口”感觉信息的实时共享 日前，美国杜克大学和北京大学神经科学研究所等处的科学家首次在小鼠身上实验了一种“脑对脑接口”（BTBI），用微电极阵列将两只小鼠的大脑接通，让它们直接交流以解决简单的行为难题。通过多组精心设计的实验，研究人员发现感觉运动信息不仅能脑间共享，还能远程传输，两只小鼠即使远隔几千英里，也能做出同样选择。这些结果是一种概念证明，它有可能代表着一种新的动物沟通形式。相关论文发表在近期出版的《科学报告》杂志上。 研究人员指出，实验证明了“脑对脑接口”能在一对脑或多脑网络之间实现信息交流、处理和存储，由此可作为研究新型社会互动、生物计算设备的基础。这些发现表明动物的大脑是耦合到一个复杂系统中的，说明今后有一天脑-脑界面也许能让成对的动物或成网络的动物的大脑来交换、处理和存储信息。还需要进一步的研究来确定大脑是怎样同时集成通过脑-脑界面和通过自然刺激收到的信息的。 －－－－－－－－－－－－－－－－ 从“脑—机接口”到“脑对脑接口” 研究人员表示，在实验中发现小鼠大脑比以往认为的更有可塑性。它们的大脑能轻松地适应和接受来自体外设备的输入，并学习着处理那些人工传感器产生的看不见的红外光。如果大脑能理解来自人工传感器的信号，那它是否也能理解另一个身体发出的感觉信息？ 为了检验这一假设，研究人员先训练小鼠们完成简单的选择题：根据指示灯按下正确的杠杆。左右两个杠杆上方都有指示灯，哪个灯亮就按下哪个，如果选对了，就给它一口水喝作为奖励。 下一步，他们用微电极阵列植入小鼠脑部处理运动信息的皮层区，并把两只小鼠的电极连接起来。其中一只作为编码器，另一只作为解码器。“编码鼠”负责接受视觉信息，即根据指示灯决定该按哪个杠杆，按对了才能得到奖励。当它按下了正确的杠杆后，它的大脑会为这次行为决策编码，将其转化为电流刺激模式，直接发送到它的搭档——“解码鼠”的脑中。 －－－－－－－－－－－－－－ “编码鼠”和“解码鼠”的合作 两只小鼠分别关在不同的“小房间”里。对于该按哪个杠杆，“解码鼠”并未看到任何指示线索，因此，要想按下正确的杠杆得到奖励，它只能依靠“编码鼠”发出的信息，而这些信息是经由脑对脑接口传入“解码鼠”脑中的。 当“编码鼠”执行二选一任务时，它的脑活动以一种皮层内微电流刺激（ICMS）的方式，传递到“解码鼠”脑中相符的皮层区，解码鼠则会按下相同的杠杆。研究人员检验了“解码鼠”的破译成功率，即根据“编码鼠”脑电输入按下正确杠杆的成功率。结果发现最大成功率达到了70%，只比理论值略低一点，理论计算的最大成功率为78%。 研究人员还指出，这种脑对脑接口（BTBIs）允许双向交流，这一点很重要。如果“解码鼠”选错了杠杆，编码鼠将不能得到全部奖励。由此导致了这对小鼠之间建立起一种“行为合作”关系。 研究人员表示，当“解码鼠”犯错时，“编码鼠”几乎也会同时改变它的脑功能和行为，使之更简单，以便让它的搭档做出正确选择。编码鼠会改良代表决策的脑活动的信噪比，使信号更清晰而易于探测。它会做出更快、更清晰的决策，选择正确的杠杆按下去。当“编码鼠”调整后，无一例外地“解码鼠”做出正确选择的概率也会变高。这样一来，它们两个都会得到更多奖励。 第二组实验是用胡须辨别洞口的宽窄：如果洞口狭窄，小鼠要用鼻子碰一下房间左侧的水口，就能得到奖励；如果洞口较宽，则碰右侧的水口能得到奖励。然后，研究人员训练“解码鼠”把“刺激脉冲”和“左边水口”联系在一起，即有脑电脉冲时，选左边的水口能得到奖励；没有脉冲时，选右边水口能得到奖励。 在实验中，当编码鼠探测到洞口为“宽”时，把它的选择传给解码鼠，由此解码鼠选择正确的概率为65%，明显高于随机选择。 －－－－－－－－－－－－－－－ “千里之外”和“群体之间”的默契 为了测试脑对脑通讯能达到多远，研究人员还将一只“编码鼠”带到了巴西，放在纳塔尔的埃德蒙与莉莉·萨弗瑞国际神经科学研究所（ELS-IINN），通过互联网把它的脑信号传给远在美国北卡罗来纳州杜克大学的“解码鼠”。这两只小鼠仍能共同合作，完成这项触觉辨别任务。 研究人员表示，两只小鼠不在同一个大陆时，会产生噪音传输和信号延迟。即使这样，它们仍能保持沟通交流。这暗示，造出一个由身处不同位置的动物的大脑构成、行之有效的脑网络是可能的。 这些实验证明，我们能在鼠脑之间建立起复杂的直接通讯连接，即由“一个中心、两个大脑”组成的神经系统。“解码鼠”的大脑就像一种“模式识别”设备。从本质上说，研究人员是在创建一种会解决问题的“有机计算机”。但是在此，输入的不是指令，而是代表“编码鼠”决策的脑电信号，“解码鼠”则凭借这一信号来解决问题。 理论上这一系统不受大脑数量的限制，也可以是多个大脑组成的网络，或称“脑网”。尼科莱利斯说，他们正在和ELS-IINN的研究人员一起实验，将更多小鼠大脑连在一起，形成一种“有机计算机”，让一群动物共享运动和感觉信息，让它们共同合作，完成更复杂的行为任务。 研究人员指出，“脑对脑接口”能在一对脑或多脑网络之间实现信息交流、处理和存储。以此为基础，还可以进一步研究新型社会互动、生物计算设备等。 研究人员表示，当多个鼠脑连在一起互相作用时，他们无法预测会出现什么新情况。理论上，多脑结合可能提供单个大脑想不出的解决方案。此外，这种连接还意味着一只小鼠能把其他鼠的“自我”感觉和自己的“自我”合并在一起。根据对“解码鼠”感知皮层的分析，发现它们的触觉皮层区不仅能表征自己的胡须，还能表征“编码鼠”的胡须。它的皮质神经元能对两套胡须传来的触觉信息起反应，这表明小鼠对它自体之外的另一个身体产生了另一套表征。进一步研究这种调适性，还可能带来一个全新的领域——社会互动神经生理学。