脑接口：实现“阿凡达”式跨鼠遥控
新型脑-脑接口：实现“阿凡达”式跨鼠遥控
近日，北京脑科学与类脑研究中心罗敏敏实验室在《中国科学：生命科学》（英文版）发表研究论文，提出了一种新的基于光学记录和刺激的脑-脑接口，实现了高信息传递速率的运行信息传递，充分展示了脑-脑接口的研究潜力。
人或动物个体之间的交流主要依靠感觉系统，比如视觉、听觉、嗅觉和触觉。2009年的科幻电影《阿凡达》展示了地球上的人可以通过脑对脑的直接信息传递，远程控制潘多拉星上经过基因改造的纳威人身体。
近几年有研究显示可以从一只动物大脑皮层中提取电生理信息，解码后通过电刺激或经颅磁刺激技术刺激另一只动物大脑皮层，从而提出了脑-脑接口的概念。但是到目前为止，脑-脑接口信息传递速率非常低，是制约脑-脑接口发展的最主要瓶颈。
脑-脑信息传输的主要技术障碍是传统的脑-脑接口需要长期的脑电多通道记录，技术难度大，缺乏细胞特异性，而脑电波记录又难以精确解码，并且解码的信息难以传递到正确的神经环路或特异细胞类型，导致信息传递速率非常低。因为动物的运动包含起始、终止以及亚秒级别的速度变化，用脑-脑接口精确控制运动还处于科幻层次。
早前，罗敏敏实验室在相关研究中发现了脑干未定神经元活性可预测动物运动速度。基于这个发现，实验室卢立辉、王睿宇等研究人员利用光纤记录和光遗传学激活技术构建了一个光学脑-脑接口，并且在两只小鼠间实现了高信息传递速率的运动信息传递，从而在原理上验证了脑-脑接口跨个体精确控制动物运动的可能性。
基于光学记录和刺激的脑-脑接口实现了两只动物间的运动信息传递（北京脑科学中心供图）
该研究利用了光纤记录和光遗传学技术，以及可精确预测和调控动物运动速度的神经环路。研究人员利用光纤记录系统从表达了钙指示蛋白（GCaMP6m）未定核神经元中提取运动信息（该鼠称为“控制鼠”），然后利用支持向量机和一个线性公式把神经元活性信号解码，进而通过光遗传学刺激传递给另一只鼠的未定核神经元（称为“阿凡达鼠”）。这个基于光学记录和刺激的脑-脑接口实现了动物的高度同步化运动，信息传递速率达到了4.1 bits/s，比之前同类研究高2-3个数量级。
研究人员强调，在建设高性能脑-脑接口时，选择合适的神经环路以及记录和刺激工具至关重要。该研究之所以能实现高信息传递速率，首先是选择了可以预测和控制运动速度的脑干未定核神经元来提取运动信息，其次是选择了利用光纤记录系统记录未定核特定细胞类型的神经元钙信号变化。
“这可以稳定记录有相似功能的特定细胞类型的神经元活性；信噪比高；相对容易操作，避开了多通道记录的技术挑战，降低了神经信息解码难度。”这些优势，决定了研究人员最终选择了光遗传学刺激手段来激活“阿凡达鼠”大脑中特定神经元。
论文地址：https://doi.org/10.1007/s11427-020-1675-x
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