羅敏敏組建立新型腦-腦接口實(shí)現(xiàn)“阿凡達(dá)”式的跨鼠遙控
圖1 基于光學(xué)記錄和刺激的腦-腦接口實(shí)現(xiàn)了兩只動(dòng)物間的運(yùn)動(dòng)信息傳遞。A，光學(xué)腦-腦接口示意圖。光纖記錄系統(tǒng)記錄一只鼠的未定核神經(jīng)元活性（表達(dá)了鈣指示蛋白GCaMP6m，稱(chēng)為“控制鼠”），通過(guò)程序把神經(jīng)元活性信號(hào)轉(zhuǎn)化成光脈沖信號(hào)，進(jìn)而傳遞給另一只鼠的未定核神經(jīng)元（表達(dá)了光敏感通道蛋白ChR2,稱(chēng)為“阿凡達(dá)鼠”），小鼠頭部固定但身體可在跑輪上自由跑動(dòng)。B，從上到下依次是控制鼠運(yùn)動(dòng)速度，控制鼠未定核神經(jīng)元活性變化，信號(hào)轉(zhuǎn)化方程，光脈沖信號(hào)，阿凡達(dá)鼠運(yùn)動(dòng)速度。C，阿凡達(dá)鼠運(yùn)動(dòng)速度（藍(lán)色）與控制鼠運(yùn)動(dòng)速度（紅色）高度同步。D，阿凡達(dá)鼠運(yùn)動(dòng)速度與控制鼠運(yùn)動(dòng)速度正相關(guān)。E，控制鼠與阿凡達(dá)鼠之間的信息傳遞速率。
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人或動(dòng)物個(gè)體之間的交流主要依靠感覺(jué)系統(tǒng)，比如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)和觸覺(jué)。2009年的科幻電影《阿凡達(dá)》展示了地球上的人可以通過(guò)腦對(duì)腦的直接信息傳遞，遠(yuǎn)程控制潘多拉星上經(jīng)過(guò)基因改造的納威人身體。近幾年有研究展示可以從一只動(dòng)物大腦皮層中提取電生理信息，解碼后通過(guò)電刺激或經(jīng)顱磁刺激技術(shù)刺激另一只動(dòng)物大腦皮層，從而提出了腦-腦接口的概念。但是到目前為止，腦-腦接口信息傳遞速率非常低，是制約腦-腦接口發(fā)展的最主要瓶頸。
主要的技術(shù)障礙是傳統(tǒng)的腦-腦接口需要長(zhǎng)期的腦電多通道記錄，技術(shù)難度大，缺乏細(xì)胞特異性，而腦電波記錄又難以精確解碼，并且解碼的信息難以傳遞到正確的神經(jīng)環(huán)路或特異細(xì)胞類(lèi)型，導(dǎo)致信息傳遞速率非常低（0.004-0.033 bits/s）。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)包含起始、終止以及亞秒級(jí)別的速度變化，用腦-腦接口精確控制運(yùn)動(dòng)還處于科幻層次。
近日，北京生命科學(xué)研究所/北京腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心羅敏敏實(shí)驗(yàn)室在Science China Life Sciences發(fā)表了題為“An Optical Brain-to-brain Interface Supports Rapid Information Transmission for Precise Locomotion Control”的研究論文。
基于其實(shí)驗(yàn)室之前關(guān)于腦干未定核可整合性調(diào)控運(yùn)動(dòng)、覺(jué)醒及海馬區(qū)theta波的發(fā)現(xiàn)，他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)腦干未定神經(jīng)元活性可預(yù)測(cè)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)速度。基于這個(gè)發(fā)現(xiàn)，作者利用光纖記錄和光遺傳學(xué)激活技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)光學(xué)腦-腦接口，并且在兩只小鼠間實(shí)現(xiàn)了高信息傳遞速率的運(yùn)動(dòng)信息傳遞，從而在原理上驗(yàn)證了腦-腦接口跨個(gè)體精確控制動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的可能性。
該研究巧妙地利用了光纖記錄和光遺傳學(xué)技術(shù)，以及可精確預(yù)測(cè)和調(diào)控動(dòng)物運(yùn)動(dòng)速度的神經(jīng)環(huán)路。研究人員利用光纖記錄系統(tǒng)從表達(dá)了鈣指示蛋白GCaMP6m未定核神經(jīng)元中提取運(yùn)動(dòng)信息（該鼠稱(chēng)為“控制鼠”），然后利用支持向量機(jī)和一個(gè)線(xiàn)性公式把神經(jīng)元活性信號(hào)解碼，進(jìn)而通過(guò)光遺傳學(xué)刺激傳遞給另一只鼠的未定核神經(jīng)元（稱(chēng)為“阿凡達(dá)鼠”，圖1A-B）。這個(gè)基于光學(xué)記錄和刺激的腦-腦接口實(shí)現(xiàn)了動(dòng)物的高度同步化運(yùn)動(dòng)，信息傳遞速率達(dá)到了4.1 bits/s（圖1C-E），比之前同類(lèi)研究高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。
該研究強(qiáng)調(diào)了在建設(shè)高性能腦-腦接口時(shí)，選擇合適的神經(jīng)環(huán)路以及記錄和刺激工具的重要性。該研究能實(shí)現(xiàn)高信息傳遞速率的原因有以下幾個(gè)：首先，選擇了可以預(yù)測(cè)和控制運(yùn)動(dòng)速度的腦干未定核神經(jīng)元來(lái)提取運(yùn)動(dòng)信息；其次，選擇了利用光纖記錄系統(tǒng)記錄未定核特定細(xì)胞類(lèi)型的神經(jīng)元鈣信號(hào)變化，這有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）可以穩(wěn)定記錄有相似功能的特定細(xì)胞類(lèi)型的神經(jīng)元活性；（2）信噪比高；（3）相對(duì)容易操作，避開(kāi)了多通道記錄的技術(shù)挑戰(zhàn)，降低了神經(jīng)信息解碼難度。最后，作者選擇了光遺傳學(xué)刺激手段來(lái)激活阿凡達(dá)鼠大腦中特定神經(jīng)元。
該研究展示了一種新的基于光學(xué)記錄和刺激的腦-腦接口，實(shí)現(xiàn)了高信息傳遞速率的運(yùn)行信息傳遞，充分展示了腦-腦接口的潛力。
該工作主要由羅敏敏實(shí)驗(yàn)室盧立輝完成，王睿宇協(xié)助完成了解碼的程序編寫(xiě)，羅敏敏博士為該文通訊作者。該工作在北京生命科學(xué)研究所及北京腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心完成。
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注：本文轉(zhuǎn)載自中國(guó)科學(xué)雜志社。
