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神经学的疯狂:一次性记录一百万个神经元

发布时间:2019-05-28 17:21 来源:未知 编辑:admin

  美国国防部高级研究计划局(DARPA)发起了一项挑战,要求科学家们开发出能够一次性记录一百万个神经元的方法。

  康拉德·科丁(Konrad Kording)对神经科学的未来充满了担忧。

  几年前,对神经科学颇感兴趣的西北大学数据科学家科丁决定实施一项调查,看看科学家们能够一次性记录活体动物大脑中的多少个神经元。如果我们想要了解意识或开发出让瘫患者恢复的运动方法,那我们需要在神经元的电性记录上多下苦工。

  其结果刊登在了2011年的《自然神经科学》上。其中介绍了“史蒂文森定律”——以作为研究生的第一作者伊恩·史蒂文森(IanStevenson)命名。与预测计算能力将每两年翻一倍的穆尔定律类似,“史蒂文森定律”也认为神经元科学家的一次性记录数量将以指数增长。然而,当每个人都在为穆尔定律欢欣鼓舞时,用科丁的话来说,“每个从事神经科学研究的人都希望看到史蒂文森定律的灭亡。”

  因为我们每一个人的大脑中都有大约800亿个神经元。尽管有资料显示,从科学家们在20世纪20年代第一次听到单个神经元的电子棘波起,他们每七年就会将这个数字翻倍,达到一次约500个。科丁说:“照这样的速度来看,我们在全部死亡之前甚至完成不了对老鼠大脑的部分记录。这相当不妙。”

  本周,许多神经学家将前往弗吉尼亚州的阿灵顿市,就如何打破史蒂文森定律进行讨论。

  这次研讨会旨在商议一项新的国防部计划的要求,这项名为“神经工程系统设计”(Neural Engineering System Design)的计划将作为奥巴马总统的大脑计划的一部分得到6000万美元的拨款。目标是在四年内开发出能够同时记录一百万个神经元的技术。

  该项目的管理机构DARPA同样希望拥有一种能够刺激至少10万个大脑神经元的设备。它必须是无线的,而且任何电子产品都必须放置在一个大小和5美分硬币差不多的包装之内。最后,研究人员还必须满足安全要求,以便对人类主体实施研究,也就是需要满足美国食品和药物管理局的“研究用器械豁免政策”。

  加州理工学院物理与生物工程学系的米迦勒·若克斯(Michael Roukes)教授认为这个时间限制“非常紧迫”。该机构设定的远大目标是难以实现的,这种行为被人们称为“DARPA的疯狂”。

  该项目的目标并没有让若克斯感到意外。大脑计划的既定目标是:为由大脑回路组成的大规模脑细胞集合体,开发出阅读和写作方式,通过联合运作使我们能够感知世界并作出反应。为此,神经科学的硬件显然需要进行重大升级。

  哥伦比亚大学的神经科学家拉斐尔·尤斯蒂(Rafael Yuste)认为:“最重要的是研发出一个能够执行完整的神经回路的技术。例如能对小动物的大脑,或老鼠或人类的一块大脑皮层中的每个神经元进行记录。” 尤斯蒂说,大多数科学家采用的记录方式仍然是“用这些电极对一个动物或患者的一个神经元进行活动记录。就好像是你正在尝试通过“听”单一乐器的演奏内容来对一个管弦乐队进行分析。”

  “脑机接口”也是DARPA感兴趣的技术之一。其中,布朗大学和匹兹堡大学的团队已经成功使用锋利的硅针阵列,一次性记录了志愿者大脑内部的200到300个神经元。这就足以大致“读懂”一个人想要执行的手臂和手部运动,并利用该信号来移动机器人手臂或控制轮椅。

  “你们现在的确看到机器人手臂能够运动,”纽约卫生部沃兹沃斯中心的脑机接口专家乔纳森·威尔帕(JonathanWolpaw)说道。“但它们还不能够离开实验室。你不会希望在悬崖边或交通拥挤的地方用目前的脑机接口控制轮椅的。

  神经科学家认为大型神经元集合体有助于问题的解决,因为其平均神经元峰值每秒最多可达数倍。而运动依赖的是在时间范围内出现至少10倍速度的调整。这意味着任何单个神经元都不可能包含舞蹈动作或钢琴弹奏等复杂动作编码所需的信息。“运动分布在多个大脑区域的数百万神经元中,”科丁说道,“我估计,我们至少还需要1000倍的神经元才能开发出一个很棒的假肢设备。”

  实现该目标的一个策略是缩小电极尺寸,以使生物工程师能够一次性在大脑中置入更多的电极。

  高级研究科学家米哈伊尔·A·列别捷夫(Mikhail A. Lebedev)说,杜克大学正在采用这种方法。米哈伊尔所在的团队目前提出了几种猴子的神经记录,他们通过努力在一只猴子的大脑中置入了大量的薄型电极,从而一次性读取了大约500个神经元。

  其他人则认为需要全新的方法。加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员正在探索“神经尘埃”(neural dust),这是一种由微观自由漂浮传感器组成的设备,该设备能够在大脑中扩散。

  光学技术也颇有可能。2013年,霍德华休斯医学研究所珍妮娅农场校区的神经科学家米沙·阿伦斯(Misha Ahrens)表示,他能够记录100,000个神经元——相当于一只斑马鱼的整个大脑——通过基因改造使其在熄灭之后能够再度发光。阿伦斯说,一次性看到这么多神经元就已经是惊喜了。他说:“你可以找到那些与行为相关的区域,这些区域是用其他方法无法找到的。”

  阿伦斯的成就并不计入DARPA的目标之中,也并未打破史蒂文森定律,因为他的方法并未在神经元的电子棘波出现时准确地将其捕捉到。这是因为发光的分子只有在熄灭之后才能因细胞内发生的钙浓度变化而被触发。加州理工学院的科学家若克斯说,研究人员正在开发能够直接对电压变化做出反应的荧光分子。

  另一个问题是,与几乎半透明的斑马鱼不同,人类的大脑为乳白色,因此很难看透。若克斯说,为了解决这一问题,可能需要在整个大脑中置入超窄硅柄。其中将包含发光和探测周围细胞所需的硬件,以解决大脑不透明的问题。据若克斯计算,如果使用足够的硅柄,将可以照亮整个大脑。

  虽然光学技术有可能成功,但食品与药品管理局可能不太愿意让科学家们从基因方面改变志愿者的大脑而使其发光。若克斯说,他和他的合作者最终决定向DARPA提交一份较为传统的计划,其中使用的仍然是更为传统的电极。

  DARPA有理由坚持在人体内实施任何的记录方案。该机构希望这个目标会让医疗设备公司和半导体与光学仪器制造商产生兴趣。因为在没有工业参与的情况下,很难使脑机接口像计算机实现快速提高。

  麻省理工学院的神经学家亚当·马博斯通(Adam Marblestone)表示:“通过将该技术应用到人体,他们可能会获得一些尚未用于动物实验的技术元素,因为后者没有那么大的经济驱动力。”他希望能看到一些在学术实验中无法看到的“真正重大的工程”。

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