入侵大脑:让失落的神经能力失而复得

在过去的数十年间,数十亿美元的资金被投入到三个研究领域:神经假体、脑机接口和光遗传学。这三个研究领域已经正在改变人类,并且解决了很多困扰人类自然进化过程的问题。

数周之前,Ray Kurzweil 曾经预测到 2030 年代,纳米机器人将会帮助我们将大脑与云计算相连接,从而将生物体与数字世界相连接。今天让我们来讨论一下当下正在发生的事情。在过去的数十年间,数十亿美元的资金被投入到三个研究领域:神经假体、脑机接口和光遗传学。这三个研究领域已经正在改变人类,并且解决了很多困扰人类自然进化过程的问题。该文章是关于这些领域的最新发展,涵盖了目前最让人振奋的应用和未来有可能产生颠覆性影响的应用。

神经假体、脑机接口和光遗传学

你的大脑包含上千亿个神经元细胞。这些细胞塑造了现在的你,并且控制着你的行为、思考和感觉。结合你的感觉器官(例如眼睛、耳朵),这些系统决定了你如何感知世界。有时候,这些系统也会失效。这也是神经假体存在的意义。

「神经假体」(Neuroprosthetics)指的是使用电子设备来替换受损神经系统或者感觉器官的功能。「神经假体」的概念已经存在一段时间——第一只人工耳蜗出现在 1957 年,旨在帮助聋人听到声音。自从那时开始,全世界已经有超过 35 万只人工耳蜗被植入到聋人耳朵中,帮助他们恢复了听觉,并且极大地提高了他们的生活质量。但是这样的人工耳蜗的植入仅仅是涉及到了研究所说的脑机接口(BCI)领域:大脑(中枢神经系统 CNS)与外部计算设备之间的直接通讯方式。

脑机接口(BCI)领域的愿景是通过将数字世界与中枢神经系统相连接,从而增加或修复人类的认知。如何实现与中枢神经系统的连接是非常有趣的部分。通常有两种方法,一种方法是将导线和神经元与粘连到大脑中的金属细针微观阵列相连接,通过电刺激神经元,或者当它们被激发的时候,测量神经元的电势。第二种方法则是更加有趣的「光遗传学」——用光来控制神经元。通过这种机制,我们可以将一个光敏分子植入到神经元的表面,然后这个光敏分子就可以允许外部使用者通过一定频率的脉冲光来触发或者禁止神经元的激发状态。

目前脑机接口领域和神经假体领域都还处于初始阶段。通过以下的一些例子,我们可以看到这些技术可能的应用领域,也可以帮助我们理解这些技术未来的可能性。

当前的应用:

1 看见:大约有 70 位盲人进行了 3 个小时左右的视网膜植入手术。正如所描述的那样,「眼镜式镜头可以拍摄图像数据;然后这些图像数据经过数据线上的微型计算机处理后,相应的信息可以发送到神经刺激阵列上,该阵列被植入到视网膜上,包含 60 个电极。」虽然要想完全恢复视力还有很长的路要走,但是使用摄像头来增强或者替代失效的光感受器还是非常有前途的。

2 听见:正如前文提到,在过去的 60 年间,全球已经有超过 35 万只人工耳蜗被植入到很多聋人耳朵中。麦克风可以从周围环境中收录声音,并且将信号传送给语音处理器,然后传送器可以将信号转换为电脉冲。电极阵列可以将这些脉冲传送到听觉神经的不同区域,从而使得我们可以绕过耳朵中发生故障的地方,听到声音。

3 感受疼痛:许多公司和研究小组(包括斯坦福大学)都在努力探索如何使用光遗传学来「关闭」人类对于慢性疼痛的感知,而这一切只用按下对准患者皮肤的强光手电筒按钮即可。疼痛是人们去看医生的主要原因,每年相应的费用达到了 6350 亿美元。

4 运动/意念:15 至 20 位瘫痪病人已经实现了将植入物植入到运动皮层(大脑中可以控制运动的部分)中,从而使得他们可以控制外部的机器手臂;更神奇的是,通过刺激植入肢体中的电极,甚至可以使得瘫痪肢体重新具有活力。

5 饥饿:和疼痛一样,饥饿是一种感觉。斯坦福的研究人员正在探索如何使用光遗传学来调节迷走神经的刺激,从而抑制饥饿感。

6 记忆:南加州大学的一名研究人员正在研究帮助癫痫患者恢复记忆的方法,他希望在患者的海马体中植入计算机芯片,从而可以对患者的记忆进行编码和访问。

7 焦虑:斯坦福大学 Karl Deisseroth 及其同事「发现了杏仁体(大脑中的一个部分,是恐惧、侵略行为和其他基本情绪的中枢)中存在特殊的电路,有望调节啮齿动物的焦虑情绪。」通过光遗传学,我们可以将这个回路关闭,从而控制这些情绪。

未来我们能够进行的应用领域可以说是令人非常兴奋的。

未来——脑研究何去何从

正如神经学家 David Eagleman 最近在 TED 上指出的那样,我们关于现实的体验被我们的生物特征所制约了。而当我们开发新的方法来将新的信号或者计算能力传递给大脑时,这一切都将发生改变。我们可以增加新的感觉(想象一下你可以进入股票市场,并且可以感知市场走向)。我们可以开发无线的、脑对脑的交流方式(即人造心灵感应),并且通过思考的方式将信息传递给其他人。

我们的大脑就是一个平台,新的应用机会永无止境。这些应用将会挑战人类的概念,即身为人类究竟意味着什么。正如 Ray Kurzweil 预测的那样,一旦我们将我们的大脑皮层与云计算相连接,也许我们将会成为一类远远超过「人类」的物种。

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