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科技日報(bào)訊 （記者常麗君）腦—機(jī)接口（BMIs）不僅在神經(jīng)學(xué)方面有很多應(yīng)用，還是研究神經(jīng)元整體動力學(xué)的有力工具。但在任何實(shí)際接口中，能得到的記錄位點(diǎn)數(shù)量都是有限的，而研究人員想得到來自每個位點(diǎn)的盡可能完全的信號。為了建立更好的腦—機(jī)接口，研究人員開始更深入地觀察低于神經(jīng)元興奮閾值以下的活動。
據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)4月22日報(bào)道，最近，美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校一個研究小組正設(shè)法利用那些更小的電位，作為意志意圖的指標(biāo)，研究大腦在學(xué)習(xí)過程中的意志活動。而這些指標(biāo)隱藏在鈣信號中。
該小組由電氣工程師何塞·卡門納領(lǐng)導(dǎo)。研究人員訓(xùn)練小鼠能響應(yīng)音調(diào)高低來調(diào)整自己的神經(jīng)興奮性，目標(biāo)集中在小鼠的層Ⅱ-Ⅲ（layer Ⅱ-Ⅲ）神經(jīng)元上，這些神經(jīng)元形成了小鼠的運(yùn)動皮層或體感皮層，由基因編碼的鈣指標(biāo)gCaMP6f 來專門表達(dá)。研究人員用雙光子成像來記錄這種鈣指標(biāo)信號，能記錄到150×150平方微米視域內(nèi)的每個細(xì)胞。他們用與峰值有關(guān)的鈣信號訓(xùn)練小鼠操控聲音光標(biāo)，結(jié)果小鼠只用幾天就學(xué)會了這項(xiàng)任務(wù)，并在隨后的時間里表現(xiàn)得越來越好。研究結(jié)果發(fā)表在最近出版的《自然·神經(jīng)科學(xué)》雜志上。
研究人員解釋說，只用皮層錐體細(xì)胞產(chǎn)生的峰值有很多問題。閾值以下電位或離子流與細(xì)胞的峰值行為相關(guān)，但也并非總是如此。比如，腦干眼球運(yùn)動神經(jīng)元突然放電頻率超過300赫茲，只是為了“吸引”眼球的注意；而聽覺神經(jīng)元為了分辨一個特殊音調(diào)，也會產(chǎn)生大致相同的脈沖。一個錐體細(xì)胞可能每隔幾秒才興奮一下，直到做完全不同的事，它們才會選擇放電。如果希望錐體細(xì)胞的樹突和突觸放電過程保持大致相同的頻率，顯然這樣的結(jié)果會丟失許多信息。
而那些例外的錐體細(xì)胞峰值可能更有用。它們反映的情況或許是在幾百只蒼蠅中有一只飛向一匹馬，讓馬突然弓背躍起；也或許是在一群猩猩中，猩猩爸爸們在打盹，而一只小猩猩跟爸爸玩鬧過了火，猩猩爸爸猛然躍起追逐這個討厭的小家伙。錐體細(xì)胞也可能自己產(chǎn)生峰值，比如開飯的鈴聲。
論文中還指出，只記錄峰值從總體上不能反應(yīng)皮層處理信息的過程。如果不把多種豐富的神經(jīng)元現(xiàn)象考慮進(jìn)來，要想重新構(gòu)建一種算法，把刺激因素，或?qū)?nèi)部意圖的推測完整拼接在一起是非常困難的。
雖然要把實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)移到人類身上，還需要很多實(shí)驗(yàn)硬件，但新研究為科學(xué)家從腦中獲悉個體意愿提供了一些基本的新線索。
總編輯圈點(diǎn)
吃飯時需要大腦向有關(guān)器官輸出張嘴、閉嘴、咀嚼的信號，如果這時輸出的是踢腿的信號，那飯肯定吃不成了。腦—機(jī)接口核心便是對神經(jīng)元信號進(jìn)行精確的讀取或?qū)懭?，前提是要弄清楚信號是什么，因此獲取足夠高質(zhì)量的神經(jīng)信號來解碼神經(jīng)元，才能設(shè)計(jì)出腦—機(jī)接口的算法和系統(tǒng)。本項(xiàng)研究正是通過新方法來提高信號的精確度，但這種愚公移山的做法是否可行還有待檢驗(yàn)，我們更期待新的模型和理論的出現(xiàn)。
