世界睡眠日,用心思操控机器

来源:http://www.lfzhongying.com 作者:盖世电竞竞猜 人气:181 发布时间:2019-05-27
摘要:出品:"SELF格致论道讲坛"公众号 名词解释 突触后电位 :指由突触前神经元的动作电位通过电突触或化学突触引起的、突触后神经元的膜电位变化。PSP可以分为兴奋性突触后电位(EPS

出品:"SELF格致论道讲坛"公众号

名词解释

  1. 突触后电位:指由突触前神经元的动作电位通过电突触或化学突触引起的、突触后神经元的膜电位变化。PSP 可以分为兴奋性突触后电位(EPSP)和抑制性突触后电位(IPSP)。它是神经元间传导信号的一个重要形式。
  2. 电压门控通道:指受下拨膜电位的改变而打开或关闭的一种离子通道。不同的电压门控通道可以有不同的翻转电位。这种离子通道在动作电位的形成中起关键作用。
  3. 耳蜗电位:
  4. 神经-肌肉接头:是发生在脊椎运动神经元的轴突和骨骼肌之间的一种化学突触。突触前的 active zone 与突触后膜布满受体的褶对齐。因此可以快速、可靠地传导信号,保证躯体运动的快速响应。
  5. G蛋白耦联受体:是一种重要的细胞表面受体,它与配体的结合可导致偶联的 G 蛋白的活化,再由 G 蛋白去激活其他受体蛋白。受体蛋白可以是膜上的离子通道,或是合成第二信使的酶。因此它可以产生缓慢、长久、广泛的突触后反应,包括细胞代谢的调控。
  6. 高尔基腱器官:是骨骼肌上连接肌肉和肌腱的一种感受器,能够监测肌肉的收缩。它可以与一些中间神经元形成抑制性的连接,从而可以抑制它本身所在肌肉对应的 alpha 运动神经元。因此,它有调节肌肉张力、避免肌肉过载受损的功能。
  7. 光致超极化:指光感受器收到光刺激而产生的膜电位下降,即超极化。光感受色素通过 G 蛋白降低 cGMP 第二信使的浓度,因此降低 Na 离子通道的活性,从而导致光感受器的超极化。因此光感受器在黑暗中去极化发、持续释放神经递质,而在光下超极化、减少释放神经递质。
  8. 关键期:指发育中的一个必要时期,在这个时期中,胞间通讯将改变细胞的命运。在 CNS 发育中,这表现为突触活动将改变神经元间的连接。在认知上,这表现为生命早期因缺乏或异常经验而导致的有害效应将不能在后期被改变。
  9. 逆向跨神经元的变性:(Retrograde transneuronal degeneration)是一种因临近的传出神经元(耙标神经元)的死亡而造成的神经元死亡。由于失去来自耙神经元的营养支持,突触前神经元发生萎缩、退化。
  10. 昼夜节律:指由地球自转而引起的日夜更替,而生物的生命活动会随着这个周期进行调整。动物体内的大部分生理、生化过程会随日夜起落。当环境中的昼夜交替被去除,动物仍会根据内在的生物钟而大约地继续这种昼夜节律。
  11. 工作记忆:是被大脑暂时储存起来的信息,容量有限且需要容易遗忘。通过反复熟悉,工作记忆可巩固为长时记忆。
  12. 生长锥:是轴突或树突生长时,位于神经突先端的一个特化结构。它能做变形虫运动,伸出伪足和微棘,从而发生延伸,使神经突伸长。其表面布满感受器和黏着分子,可以由环境引导生长。
  13. 味蕾:是一些主要存在于舌头上的乳头状突起中的味觉感受器官。每个味蕾通常包含 50 到 100 个味觉细胞。除此之外,还有一系列与味觉细胞形成突触的味觉传入轴索,以及一些包围着味觉细胞的基细胞。
  14. 边缘系统:是由 Broca 边缘叶和 Papez 回路共同组成的大脑区域。这组结构通常被认为与情绪体验和表达有关。MacLean 认为动物进化出边缘系统使它们摆脱了脑干所表达的刻板行为。
  15. 最后公路
  16. 神经干细胞
  17. 嗅球
  18. 神经元突触容量
  19. LTD
  20. 联合型学习
  21. 选择性注意
  22. 感受野
  23. 功能柱
  24. 神经元学说

脑机接口可以传输和接受来自大脑神经回路的信号。现有的脑机接口仍然比较滞后,在记录大脑活动方面也不是特别精确。在最新研究中,科学家将脑机接口的电极植入了一个控制运动意图的脑区,这种方式使得脑机接口的应用性更强,也许能让脊髓受损的人群部分恢复行动能力。

以下内容来自中国科学院深圳先进技术研究院研究员路中华的演讲实录:

选择题

  1. 假设我们标记了河豚毒素,使之在显微镜下可见.如果把河豚毒素加到神经元上,细胞的哪个部分会被明显标记? B

    • 细胞体
    • 轴丘
    • 树突
    • 髓鞘
  2. 某神经细胞静息膜电位由-65mV升高到-35mV, 下列机制不可能的是: D

    • 静息状态下Na离子通道的开放增加。
    • 钠-钾泵失活
    • 缺氧
    • 胞内K 浓度上升,胞外K 浓度不变。
  3. 在阿尔茨海默病(AD)中,脑细胞外老年斑的主要成分是:B

    • Tau
    • β-淀粉样蛋白
    • 多巴胺
    • 乙酰胆碱
  • 基底神经节中多巴胺浓度下降时哪一种神经性疾病的特征:

    • 阿尔茨海默病
    • 帕金森综合症
    • 精神分裂症
    • 重症肌无力
  • 从脊髓腹角靠近中心的神经元发出的周围神经纤维主要控制身体的哪一个部位?

    • 躯干
  1. 下列关于fMRI的描述,哪一项不正确:B

    • 主要测量血液中氧合血红蛋白与去氧血红蛋白的比率。
    • 图像中最亮的神经组织就是参与该大脑功能的唯一组织。
    • 不可能观察到单个神经元的活动情况
    • 非侵入性,没有放射性,是完全无损伤的观察。
  2. 位于前颞叶皮层,被认为在情绪以及某一类型的学习记忆中期关键作用的核团是:C

    • 下丘脑
    • 海马
    • 杏仁核
    • 小脑
  • 在神经管形成中起重要作用,缺乏会导致神经管缺陷性疾病的维生素是:
    • 维生素C
    • 维生素A
    • 叶酸
    • 维生素B
  1. 视神经的髓鞘是由什么细胞提供的?B

    • 施万细胞 (swan cell)
    • 少突胶质细胞
    • 星状胶质细胞
    • 室管细胞
  2. 下列细胞不属于神经嵴细胞衍生产物的是:B

    • 施万细胞
    • 大脑皮层神经元
    • 色素细胞
    • 感觉神经节内神经细胞
  3. 第一个被发现和鉴定的神经营养因子是:A

    • NGF
    • BDNF
    • NT
    • CNTF
  4. 某人车祸后完全看不见左侧物体,有可能的原因是:C

    • 视交叉被切断
    • 左眼视神经完全切断
    • 右侧视束完全切断
    • 右眼视网膜完全受损
  • 感受声音的柯蒂氏器位于内耳的

    • 前庭阶
    • 盖世电竞,中阶
    • 鼓阶
    • 台阶
  • 梦大部分发生在睡眠的什么时期?

    • 慢波睡眠
    • 快速眼动睡眠
    • 非快速眼动睡眠I期
    • 非快速眼动睡眠II期
  • 与昼夜节律相关的脑区是:

    • 下丘脑
    • 前额叶
    • 海马
    • 杏仁核
  1. 病人Henry Molaison (“H.M.”) 为了治疗严重的癫痫症切除了内侧颞叶,他手术后不可能完成的任务是:D

    • 通过不断复述记住6个数字
    • 学会骑自行车
    • 回忆童年往事
    • 描述昨天新认识的人
  2. 已知化合物A不能透过细胞膜,可以在细胞膜外侧结合通道蛋白B,引起Na 内流,下列膜片钳试验中,当固定细胞膜电位不变时候,有可能记录到电流变化的是:B

    • 全细胞记录,A加在电极内液。
    • 细胞贴附式,A加在电极内液。
    • 内面向外式,A加在浴液
    • 外面向外式,A加在电极内液。
  • 感受昼夜节律变化的感受器是:

    • 视锥
    • 视杆
    • 视网膜神经节细胞
    • 双极细胞
  • 内耳外毛细胞的主要功能是:

    • 感受声音信息
    • 收集声音信息
    • 提高声音的敏感性和选择性
    • 过滤噪声
  1. 下列描述不属于前额叶皮层受损病人可能出现的情况是:D
    • 注意调控能力低下。
    • 发散性思维能力及策略形成能力受损
    • 不能根据暗示信号调整自己的行为
    • 不能记住和分辨人的面孔
  • 神经干细胞主要存在于成体脑的室管膜区、_______和_______
    • 脑室上区、海马
    • 脑室下区、海马
    • 脑干、海马
    • 脑室上区、脑干
  1. 在肌肉收缩的过程中,运动单位的募集遵循大小原则,胞体较小的运动神经元首先被激活,因此最后被募集的运动单位属于的类型是:B

    • 慢速收缩抗疲劳型
    • 快速收缩抗疲劳型
    • 快速收缩易疲劳型
    • 慢速收缩易疲劳型
  2. 某位病人的视觉,躯体感觉和运动能力正常,但是对左侧空间的要素和事物不能报告和定向。比如当要求患者描绘一朵花的时候,他只描绘了右半部而忽视左半部。 该患者在大脑皮层中可能损伤的部位是:A

    • 顶叶联合皮层
    • 颞叶联合皮层
    • 前额叶联合皮层
    • 以上都不是
  3. 下列细胞中,不能记录到动作电位的是:B

    • 视网膜神经节细胞
    • 光感受器细胞
    • 脊髓感觉神经元
    • 脊髓运动神经元
  • 与突触形成的调控有关的是:B

    • NE
    • BDNF
    • Ach
    • 5-HT
  • 与记忆过程中巩固作用相关的脑区是什么?

    • 大脑皮层
    • 小脑
    • 海马
    • 下视丘
  1. 下列属于条件反射的是:C

    • 乐不思蜀
    • 飞蛾扑火
    • 谈虎色变
    • 庄周梦蝶
  2. 构成神经系统的基本成分是?B

    • 神经元和神经纤维
    • 神经元和神经胶质细胞
    • 神经元和神经细胞
    • 神经元和神经末梢
  • 在下列组织中,能观察到假单极神经元的是?

    • 大脑皮质
    • 小脑皮质
    • 脊髓灰质
    • 脊神经节
  • 既参与突触前抑制,又参与突触后抑制的是:

    • GABA
    • Gly
    • DA
    • Glu
    • 5-HT
  • 能激活肌梭的刺激是:

    • 梭外肌收缩
    • 梭外肌受牵拉
    • 梭外肌松弛
    • 梭内肌受压迫
    • 梭内肌紧张性降低
  1. 脊髓传出神经纤维受损后,以下哪项活动可能受到影响?C

    • 痛入骨髓
    • 触目惊心
    • 力拔山兮
    • 怒气冲天
  2. 关于顺向轴浆运输,不正确的是:B

    • 由驱动蛋白介导
    • 由动力蛋白介导
    • 运输突触囊泡
    • 对维持神经元结构和功能有重要意义
  • 关于乙酰胆碱的叙述正确的是:
    • 储存在大而致密中心的小泡
    • 在活化区释放
    • 均匀分布在神经末梢
    • 只能引起肌肉的收缩
  1. 能减少突触前递质释放的因素:C

    • 神经末梢胞内钙离子浓度上升
    • 动作电位频率上升
    • SNARE蛋白被灭活
    • 该递质突触后受体表达减少
  2. 能使静息膜电位下降的是:D

    • 细胞静息状态下Na 离子通道开放增加
    • K -Na -ATPase失活
    • 胞内Na 离子浓度上升,胞外不变
    • 胞外K 离子浓度上升,胞内不变
  3. 位于前颞叶皮层,被认为在情绪以及有关情绪的学习记忆中期关键作用的核团是:C

    • 下丘脑
    • 基底神经节
    • 杏仁核
    • 小脑
  • 梦游大部分发生在睡眠的什么时期?
    • 慢波睡眠
    • 快速眼动睡眠
    • 非快速眼动睡眠I期
    • 非快速眼动睡眠II期
  1. 有可能引起神经性耳聋的是:C
    • 鼓膜穿孔
    • 听小骨骨质增生
    • 抗生素使外毛细胞受损
    • 咽鼓管堵塞
  • 属于捕食性攻击的是:
    • 交感神经系统活动增强
    • 发出叫声,毛发竖起
    • 扑向敌人
    • 摆出威胁或防御性姿态
  1. 久居鲍鱼之肆而不知其臭,久入兰芷之室而不知其香,这是:A
    • 习惯化
    • 敏感化
    • 启动效应
    • 嗅觉损伤
  • 死亡的神经细胞可以由非神经细胞分化更新的是:

    • 耳蜗毛细胞
    • 视杆细胞
    • 嗅感受器细胞
    • 运动神经元
  • 与睡眠的启动有关的神经递质是:

    • Glu
    • GABA
    • Ach
    • NE
    • Histamine
  1. 在脑内形成滋味(flavor)的中枢可能是:B

    • 孤束核
    • 眶前额皮层
    • 岛页
    • 初级嗅觉皮层
  2. 在给光中心神经节细胞(on-center)中,下列哪种刺激产生的动作电位频率最大? B
    (img)

  • 对于神经营养因子介导的信号通路,下列哪项描述最为准确?bc?

    • 神经营养因子由突触后神经元产生,以保证突触前神经元生存并到达其正确的靶细胞或靶组织以及形成适当的突触联系。.
    • 神经营养因子扩散通过神经元细胞膜后,与细胞质内相关受体结合,然后转位到细胞核内启动基因的转录。
    • 神经营养因子与膜上离子通道型受体结合,引起突触后电位的变化。
    • 神经营养因子与膜上G蛋白耦联受体结合,引起突触后膜电导的变化。
    • 突触后神经元上神经营养因子的产生受到神经活动的调控。
  • 在十几岁前的大脑内可观察到的现象是:

    • 大脑皮质灰质体积增加
    • 大脑皮质灰质体积减少
    • 大脑白质数量减少
    • 大脑皮层神经元因为细胞凋亡的启动而死亡
    • 大脑皮层死亡的神经元被神经干细胞生成和分化出来的新神经元替代。
  1. 成体干细胞主要分布的位置是:B
    • 大脑皮层
    • 海马
    • 大脑联合皮层
    • 杏仁核
    • 基底神经节
  • 帕金森病(PD)主要是因为下面那条通路受损引起的?
    • 黑质-纹状体多巴胺能易化通路
    • 黑质-纹状体多巴胺能抑制通路
    • 黑质-纹状体胆碱能易化通路
    • 黑质-纹状体胆碱能抑制通路

在未来,高速发展的脑机接口技术可以解析人们大脑中的所有需求。

今天我来给大家聊一聊:我们头顶上的这个——脑子。

简答题

盖世电竞 1

首先我想给大家回顾几个问题,我们为什么能够看到阳光?我们为什么能够闻到花香?我们为什么能够感受到清风拂过我们的脸庞?我们为什么能够走路?我们为什么会歌唱?我们为什么会学习?我们为什么能记忆?我们为什么会有喜怒哀乐?

1. 为什么哺乳动物的中枢神经系统中不存在轴突再生?

轴突再生一般需要两个因素:受损的细胞表达有关轴突生长的基因,以及一个适宜轴突再生的环境。而这些要求在 CNS 中均缺乏。

首先,哺乳动物的 CNS 中的成熟神经元一般不能表达轴突生长相关的基因,轴突的截断也不会重新激活这些基因,因此 CNS 中的轴突再生缺乏基因基础。

另外,CNS 中轴突受损后,相关的轴突和神经胶质细胞的残骸不能被迅速清除,甚至星形胶质细胞会增生、形成伤痕,因而阻碍轴突生长;并且,受损部位附近的神经胶细胞和其他细胞会释放一些抑制轴突生长的信号(如少突神经胶质细胞释放的 Nogo,巨噬细胞释放的 cytokines),轴突生长和突触重建均会受阻。

创意图片

所有这些关于我们自己的问题,都与我们头顶上、头骨下方这个一公斤多一点的灰白色的器官,有着直接的关系。

2. 简述从神经管到大脑形成过程中的形态学变化。

通过 neurulation,胚胎背侧的 neural plate 卷曲形成神经管;神经管的 rostral 端鼓出的三个初级小泡将最终形成大脑,它们分别是前脑 prosencephalon,中脑 mesencephalon 和后脑 rhombencephalon。

前脑 prosencephalon 发育会分化为三种次级小泡,分别是对称的 telencephalic vesicles,间脑 diencephalon 和 对称的 optic vesicles。其中的两个 optic vesicles 最终会形成视觉神经和视网膜。两个 telencephalic vesicles(总称端脑 telencephalon),则会向尾端生长并覆盖在间脑上,组成大脑的两个半球,其 ventral-medial 面与间脑融合,导致两个 lateral ventricles 与间脑的 third ventricle 相连;通过神经元的增殖,端脑最终会膨胀并成为大脑皮层和 basal telecephalon,而间脑则会成为丘脑和下丘脑。

中脑 mesencephalon 的分化较简单,形状变化不大。其背部表面成为 tectum,腹面成为 tegmentum,中间与间脑相连的空腔成为一条狭窄的通道,称为 celebral aqueduct。

后脑 rhombencephalon 又分为喙端的 metencephalon 和尾端的 myelencephalon。喙端的背侧壁会左右分别膨胀扩大,然后在背部接触、融合,最终成为小脑;腹壁则膨胀成为脑桥 pons。尾端的腹壁和侧壁则简单地膨胀成为 medulla,沿着腹壁还突出成为 medullary pyramids。

每次回看这段影像时,我都会感到异常激动。在一段展示脑机接口功能的视频中,一个全身瘫痪的受试者坐在轮椅里,仅凭意念便能控制机械手和光标。视频里的奇迹发生于2013年,埃里克·索尔托(ErikSorto)在我的实验室里用意念操控机械臂拿起酒杯喝了一口啤酒。他在20岁时遭到枪击后瘫痪,这是他瘫痪10年后第一次能够用自己的意志完成这一动作。脑机接口能够将大脑皮层深层的神经信号传输到计算机,之后他就能控制机械手拿起桌上的杯子喝下啤酒。索尔托完成的这一动作看似简单,但实际上却极其复杂,我们在一年前就在他大脑中植入了电极,让他通过训练,控制运动相关的信号。

虽然我不能告诉大家大脑到底是什么,但我可以公平的说,它是我们人类,或者是我们人类进行的科学试验所要研究的黑盒子之一,甚至我们可以把之一去掉。今天我会用20分钟左右的时间告诉大家how fascinating this black box is.

3. 在海兔的缩腮反应中, 敏感化与经典条件反射都能引起更强的缩腮反应。它们之间的区别是什么?引起差异的分子机制是什么?

在实验中,敏感化是单独地刺激海兔头部,而经典条件反射则需要对尾部的刺激(US)和对虹管的刺激(CS)配对;而且在同样轻的刺激下,后者可以引起更强缩腮反应。

它们使用同样的神经回路,而且分子机制类似,但不同在于经典条件反射中,US 和 CS 的配对可引起更强的“敏感化”效果:在来自 L29 的 US 信号通过 5-HT GPCR 的信号通路关闭虹管感觉神经元轴索末端的 K 通道时,由于配对进行的 CS 引起了该神经元的动作电位、因而在该末端引起 Ca2 的内流,这些 Ca2 激活 GPCR 信号通路中的 AMP 环化酶,放大了下游信号,更多的 K 通道被磷酸化关闭,使得该神经元中的动作电位更持续、释放更多的神经递质。

当我们目睹索尔托拿起酒杯时,不禁在想,为什么如此少的信号就能控制一只机械臂?我们在日常生活中,可以不假思索地挥动自己的手臂,同样,脑机接口与神经假肢的目标就是让患者可以自然地使用动作。为此,神经科学家几十年来都在致力于解码伸手、抓取等运动相关的神经信号。尽管进展缓慢,但科学家一直在不断研究新的技术去探索大脑860亿个细胞之间的信号交流。目前,我们已经可以精准地记录与运动控制相关的神经区域,而新一代的脑机接口技术也将让我们可以更加自如地操控神经假肢。

首先在讲之前,我还是想给大家回顾一下,我们怎么来定义大脑,到底什么是大脑?从结构的角度上来讲,一个最简单的方式来定义大脑,就是大脑中有1000亿个神经元。大家可以想象,整个地球上才有100亿个人,大脑中却有1000亿个神经元。

4. 神经元和神经胶质细胞的区别是什么?

神经元形状复杂多样,通常可分为细胞体、树突、轴突等部分,神经元间会通过突触形成连接,可被化学或电信号刺激,快速、精确、远距离地进行信号传导、整合,在神经系统的功能中起主要作用。

而神经胶质细胞也有多样的形状,但细胞间不会形成突触连接,不能传递神经电信号,主要作用是支持神经元、维持化学环境,协助神经元功能的执行。

盖世电竞 2

我想大脑之所以能够执行如此复杂的功能,引起我们无限的遐想,一个非常重要的特点,就在于它有着数目众多的神经元。每一个神经元跟我们每一个人一样,我们认识不同的人,操着不同的语言,来自不同的地方,遇到不同事情的时候会有不同的反应。

5. 离子通道型受体和代谢型受体的区别是什么?

它们的主要区别在于控制突触后细胞上的离子通道的方式。离子通道型受体本身就一个离子通道,递质结合上该受体就会立即使离子通道打开;而代谢型受体(如 G 蛋白偶联受体或酶联受体)需要通过第二信使、间接地作用在一些离子通道上。

上述的不同也反映在两种受体功能上的区别。离子通道型受体只能控制某一种离子通道的打开或关闭,作用直接、迅速且范围小,主要功能是抑制或促使细胞产生动作电位;代谢型受体则可通过信号通路调控多种离子通道,作用缓慢、持久且范围广,主要起调节性的作用。

植入大脑的电极使埃里克·索尔托可以操纵机械手,与本文作者理查德·安德森合影。

正是有了1000亿个神经元所组成的,我们管它叫Ensemble的这样一个巨大的集合,我们的大脑才拥有了无与伦比的功能。

6. 为什么吃河豚有可能致命?

河豚的皮肤和内脏含有河豚毒素 TTX,它可紧密结合、并阻塞细胞膜上的 Na+ 通道,因而能够使神经元无法产生动作电位,失去信号传导的能力。若吃河豚时不小心摄入过量的 TTX,可能会因此导致神经系统瘫痪,或因为肌肉组织中的神经元中毒而发生肌肉麻痺,容易因呼吸困难而窒息,因而致命。

1.从大脑到机械

盖世电竞 3

7. 行波学说如何解释声波在耳蜗中的传导?

耳蜗中的 basilar membrane 基部窄而坚硬,顶部宽而相对柔软。有了这种连续变化的特性,高频的声波通过卵形窗会从 basilar menbrane 基部向顶部传导、推进,而 basilar menbrane 的振幅会在靠近基部的位置达到最大,然后很快地耗散能量而消失;相对地,较低频的声波的最大振幅会出现在较靠近顶部的位置。这样,频率高低不同的声波会定位在 basilar menbrane 不同的位置上。

脑机接口是通过接收和发送大脑信息实现的,也就是对意念进行“读取”与“写入”,这也是两种主流的接口技术方式。“写入式”脑机接口通常使用微电流刺激将信号输入神经组织。这一技术有的已成功应用于医疗领域,例如,人工耳蜗能够刺激听觉神经,从而使失聪者恢复听觉;深度脑刺激则能够作用于与运动控制相关的基底神经节,用于缓解帕金森病和特发性震颤这类运动失调病症;另外,科学家也在研发新的设备,想通过刺激视网膜来解决某些类型的失明症状。

在一百多年前,西班牙有一个非常着名的神经解剖学家Ramón y Cajal,他发现大脑中的神经元有一个非常关键的特性,就是它们长得都不一样,它们在形态上的差别要远远大于我们每个人之间的差别,所以他就非常细致地把他在大脑皮层中看到这些神经元勾勒了下来。

8. 根据 Young-Helmholtz 三色学说,视觉系统如何感受颜色?为什么在黑暗中感觉不到颜色?

根据 Young-Helmholtz 三色学说,视觉系统通过对三种视锥细胞分别读得的红、绿、蓝三种颜色的进行比较,从而感受颜色。

在黑暗中,光线极弱,三种视锥细胞均不能被激活,因此无法进行颜色感受。

与之相反,“读取式”脑机接口则需要采集神经信号,目前尚处于研究阶段,仍有许多亟待解决的难题。现在已有一些粗略的神经信号读取技术,如头皮脑电可以记录几平方厘米区域的大脑组织的平均电活动,同时采集数百万个神经元叠加而成的信号数据,而不是某个功能回路中单个神经元的信号。功能性磁共振成像则是一种间接测量脑活动的技术,主要监测的是不同脑区的血流变化。该技术相比头皮脑电技术有更高的成像分辨率,但仍达不到脑机接口的要求。而且血流变化的反应较慢,不适用于检测快速变化的脑活动。

盖世电竞 4

9. 简述五种基本味觉的转导受体和膜机制。

(基本五味为:咸、酸、鲜、甜、苦)

咸和酸的信号直接通过味觉细胞上的离子通道转导。对咸或酸味敏感的味觉细胞有着相似或共同的离子通道,如 amiloride 敏感钠通道。这种通道同时可透过 Na 和 H ,当摄入食盐(咸味)或酸性物质时,口腔中的 Na 或 H 浓度升高,顺着浓度梯度从 amiloride 敏感钠通道进入胞内,引起膜电位升高(受体电位/去极化),接着使突触小泡附近的电压门控 Na 或 Ca2 通道打开,触发神经递质的释放。另外,H 同时还可以通过阻塞 K 通道而引起膜电位的升高;事实上酸味的转导还有许多未明的地方。

鲜、甜、苦味均通过 GPCR 转导,且分享完全一样的第二信使通路。苦味敏感的味觉细胞表达 T2R 家族的 GPCR,可被各种苦味物质激活;鲜味敏感的味觉细胞通过 T1R1 和 T1R3 两种 GPCR 紧密结合来形成甜味受体;而甜味敏感的味觉细胞也类似地由 TIR2 和 TIR3 结合成甜味受体。这些 GPCR 被激活后,通过 PLC 产生 IP3, IP3 激活钠通道的打开而触发受体电位(去极化),于是电压门控的 Ca2 通道打开,触发神经递质的释放。

为了突破这些限制,研究脑机接口的实验室常常选择记录单个神经元的信号。通过记录大量单个神经元的放电频率变化,就可以更清楚地了解大脑特定区域发生了什么。近年来,植入式微阵列电极的发展使我们可以高通量地记录大脑的电生理状态。目前我们使用的阵列电极是一个4×4毫米的电极块,上面固定有100根单通道电极,每根电极长度为1~1.5毫米,如同一个微型钉板。这样一个电极阵列可以记录100~200个神经元的信号。记录下来的神经信号将传送给“解码器”,它能够识别神经元的放电模式,然后将其编译为相应的运动指令,从而驱动机械臂或光标完成运动。这种“读取式”脑机接口便可以帮助到许多因生病而行动不便的人,比如脊髓损伤、脑卒中、多发性硬化症、渐冻症以及杜氏营养不良症的患者。

他当时发现了差不多几十种神经元,我们现在所知道的大脑中所拥有的神经元的数量,要远远多于Ramón y Cajal先生在一百多年前感受的程度。现在随着分子生物学技术的进步,随着光学技术的进步,我们可以更好的去分辨大脑中到底有多少种不同的神经元。

10. CT,PET,MRI成像技术的基本原理和它们各自的优点是什么?如果要检测一个婴儿大脑中的血管瘤,用那种方法比较好,原因是什么?

CT 通过对大脑某片层进行多角度 X-射线成像后,由电脑计算后可得到该片层的辐射不透明图像。这种技术的优点是非侵入,而且可以分辨白质、灰质的粗略分布结构,还可以显示各个脑腔的位置。

PET 技术需要向被试的血液中注射放出正电子的放射性物质,如带有放射性原子的 2-DG。2-DG 被细胞摄入后,其放出的正电子会与附近的电子相遇后会湮灭而放出光子,这种信号被探测并经过电脑计算后,可得到不同位置的细胞代谢活性图像。这种技术的优点是可以非侵入地检测活体组织中的代谢活性。

MRI 通过在不均一的磁场中获得体内某种原子(如 H)在不同激发光下发出的跃迁信号,再辅以计算机算法,可以获得这种原子在体内的空间分布;例如用 H 作为被检测的原子,可以得到大脑腔室以及灰质、白质的空间结构。优点是高度非侵入(甚至不用有害的射线),而且成像速度快、精度高。

检测婴儿大脑血管瘤可用 MRI,因为 MRI 可以通过白质的扩增可以判断肿瘤的存在,而这种技术不需要 X-射线或放射性物质注射,有利于保护婴儿的健康。

我们实验室致力于研发用于高位截瘫患者的脑机接口,接口会从大脑皮层,即大脑表面约3毫米厚的组织中采集数据。如果将人的大脑皮层展平,每个大脑半球的皮层面积大约有8万平方毫米。随着记录数据的增加,我们发现了更多负责特定功能的脑区,目前对大脑的功能分区已经超过了180个。这些区域分别处理特定的感觉信息,与其他脑区相互连接,产生认知、抉择和运动行为。

我们脑中有一个部分叫小脑,它来负责这些控制运动的神经元,英文叫Purkinje Cell。大家可以看到神经元的样子都是我们所没见过的,它看起来像是一个植物,但是自然界中没有任何一个植物长成这个样子。

11. 睡眠可以分为几个时相以及各自的特点是什么?

可分为快速眼动睡眠(REM)和非快速眼动睡眠(非REM)。

非 REM 睡眠分为 4 个阶段。先从 1~4 阶段由浅到深,眼球运动缓慢至不动,到第 4 阶段则眼球和躯体均停止运动;再从 4~2 由深变浅。这种睡眠会有大量的大脑皮层活动,可形成复杂的梦。

REM 睡眠则会有快速而频繁的眼球运动。这种睡眠时的脑活动主要在脑干,还有频繁的运动皮层活动,但有眼球和内耳能发生运动;大多数的梦发生在这种睡眠中。

简单来说,脑机接口可以在大脑皮层的各个位置行使功能。我们的感觉器官向大脑输入感觉信号时会在初级感觉皮层进行加工。初级感觉皮层可以检测光线射入视网膜的角度和强度,或者外周神经末梢感受到的刺激。位于初级感觉皮层之间的是联合皮层,它们有的与语言功能相关,有的负责物体识别,还有的与情绪、抉择和执行控制有关。

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12. 何谓反射性运动,随意运动和节律运动?请举例说明。

反射性运动指机体在中枢神经系统的参与下,对某一特定的感觉刺激产生模式相对固定的应答性反应。如膝跳反射,叩击膝盖下的肌腱会使小腿快速弹起。

节律运动是一种重复性的脊髓反射。如搔痒反射,即使颈部脊髓被切断,动物仍然能够在搔痒部位进行节律性的搔抓运动。

随意运动则是在意识支配下、受到大脑皮层控制的躯体运动,可分为运动计划、编程、执行三个阶段。如摘树上的苹果、写试卷等,均是随意运动,需要计划(选取一个将要摘取的苹果)、编程(设定运动方向、骨骼肌的收缩程序)、执行(收缩肌肉摘取苹果)。

某些研究团队已经开始从瘫痪患者中采集大量的单神经元电生理数据,这样可以让他们在实验室条件下控制神经假肢。然而,这些神经假肢还不能像心脏起搏器一样完善可靠,因此离实际应用还有一段距离。一般来说,这些实验室主要关注的是运动皮层,而我们想要利用在联合皮层记录到的神经信号来完善脑机接口的表现,可以更快速准确地解码神经信号,获取患者的运动意图。

它有上边这些像树杈一样的东西,我们管它叫树突,这是神经元的一个非常基本的结构。除此之外,再靠下一点的地方有个圆圆的东西,我们管它叫胞体。

13. 什么是陈述性记忆和非陈述性记忆?非陈述性记忆又包括那些类型?请举例说明。

对事件、事实以及间们的相互联系的记忆成为陈述性记忆,例如对昨天球赛胜负的记忆,或对“周三上神经生物学课”这个事实的记忆。

其他类型的记忆,包括对技能、感知觉、习惯、程序规则等的记忆,称为非陈述性记忆。它包括 1)程序性记忆,如对游泳这种技能的记忆;2)启动效应,如经过训练可以提高为物体命名的速度;3)联合型学习(经典条件反射);4)非联合型学习(习惯化和敏感化);5)其他,如知觉学习、分类学习、认知技巧、情绪学习等。

我的研究团队主要关注的是一个叫后顶叶皮层的脑区,它负责规划运动的起始。我们曾在非人灵长类动物的研究中发现后顶叶皮层的一个子区——侧顶内沟,这个区域能够规划并启动眼睛运动。规划手臂运动则由后顶叶皮层的另一个子区——顶叶伸手控制区完成。类似的,日本东京大学的坂田秀夫(HideoSkata)也发现前顶内沟在抓握运动中起到重要作用。

如果把它想象成一个芯片的话,那么芯片利用上面的树突来收集信号,收集信号后进行处理,再通过下面这个小小的结构叫轴突,我这里只显示了一部分,把它传递到跟它连接在一起的神经元上。

14. 为什么说在突触后过程中,胞内钙离子浓度对脑的突触可塑性起关键作用?

  1. 那些证据表明多巴胺对强化起重要作用但不可能是脑内仅有的奖赏递质?
  2. 什么是电化学平衡,平衡电位和电压钳钳制电压?离子运动的方向是如何决定的?
  3. 根据下图阐明动作电位中ABCD过程的主要机制是什么?那一个阶段神经元的膜电位最接近钾离子的平衡电位,为什么?
    (img)

如果想要通过脑机接口控制机器,将后顶叶皮层作为脑控信号源会更具优势。因为后顶叶皮层能够同时参与两侧肢体的控制,而运动皮层在大脑半球各有一个,却分别只能控制一侧肢体的运动。此外,后顶叶皮层还包含与运动目的相关的信息,例如猕猴在看到某样物体并想要去抓取物体时,后顶叶皮层会立即产生反应,标记和判断目标物体的位置。相反,运动皮层的信号则与运动路径相关。解码后顶叶皮层编码的运动目的信息能够在几百毫秒内完成,而解码运动皮层编码的运动轨迹信息则需要几秒的时间。

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这些控制运动的神经元Purkinje Cell排列在一起,形成一个非常有序的结构,互相之间形成一个传递和解算信息的有序结构,看起来就像这张图一样。

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2.从实验室到病患

一般来讲,我们都认为大脑是智力的源泉,它是学习和记忆的基础。在人的大脑中有一个结构叫做海马,这里有很多控制记忆的神经元,我们用现代分子遗传学的方法,把不同种类神经元标记成不同颜色的时候,它看起来是这个样子。

后顶叶皮层研究从动物实验转向人类经历了不短的时间,我们在进行了15年的相关研究后,才开展了第一例人类电极阵列植入手术。在这之前,我们是在猕猴大脑植入与患者一致的电极阵列,然后训练猕猴控制脑控光标或机械臂。

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在首例人脑电极阵列植入手术之前,我们组建了一个由科学家、临床医生和康复专家组成的团队,这些专家分别来自加州理工学院、南加利福尼亚大学和加利福尼亚大学洛杉矶分校以及RLA国家康复中心(RanchoLosAmigosNationalRehabilitationCenter)和卡萨科利纳康复医院。该实验获得了美国食品及药品管理局的批准,并按实验室、医院临床以及康复中心三方伦理安全审查都通过的步骤进行。这个项目的自愿受试者是真正的先驱者,因为在参与项目之前,他们就知道并不一定会因项目而获益。他们选择加入项目,是为了帮助完善脑机接口技术,从而使这项技术有朝一日可以为大众所用。2013年4月,神经外科医生查尔斯·刘(CharlesLiu)和布雷恩·李给索尔托完成了电极植入。手术堪称完美,之后我们就开始等待术后恢复期结束后开展后续试验。

这个看起来是不是非常像一棵一棵的树?这个是控制睡眠的神经元,大家可能觉得睡眠是一个非常简单的行为,我困了自然就睡。

我有一个在美国宇航局喷射推进器实验室工作的同事,这个实验室制造过火星探测器。他曾和我说,探测器进入火星大气层后的8分钟给他带来了未知的恐惧。而我在等待索尔托术后恢复的那两个星期,同样处于深深的焦虑之中——究竟植入电极会不会工作?尽管我们已经知道在非人灵长类中相似的脑区是如何行使功能的,但对人脑来说仍是一片未知,此前没有任何人采集过人类后顶叶皮层脑区神经元的数据。

事实上睡眠是由大脑控制的,是一个非常精准的行为,而你看到的这些神经元根本就不是来自于哺乳动物,也不是来自于人类,他们实际上是来自于小小的苍蝇,苍蝇大脑中控制睡眠的神经元就是这个样子的。

在测试开始后的第一天,我们从电极中检测到了神经信号,在之后的一周,我们得到了足够数量的神经信号用于解码器的训练。接下来,我们开始测试索尔托能否通过大脑活动来驱动机械臂完成运动了。索尔托的第一个任务是将机械手旋转到适合的朝向并与实验人员握手。令他惊讶的是,他居然真的可以完成这一动作,我们也很兴奋,因为这是他受伤之后,第一次能够用意志通过机械臂的运动与外界交互。

刚才说了大脑最根本的特性,是它有1000亿个形态和功能各不相同的神经元,那么脑到底在做什么?我想大家每个人都知道一点,我可以和大家回顾一下。

人们经常会问,学会使用脑机接口要花多长时间?事实上,所有人都能很快就学会操控机器,利用大脑的意识信息控制机械臂是非常自然和简单的。通过想象不同的动作,索尔托可以看到机器记录到的大脑神经元活动,同时他也可以控制是否要激活这些神经元。

大家一般说到大脑的时候都认为,它是智力的源泉,但是大脑同时控制着我们的生理和运动功能,你能够正常走路都是由大脑来控制的。假设你一侧的半规管出现问题,也就是它投向大脑的平衡信息出现问题的时候,我们就不能正常行走了。

在研究开始时,我们曾问过患者,假如实验成功的话,想控制机械臂做什么。索尔托当时说他想在没有人帮助的情况下自己喝一口啤酒,而在研究开始一年后,他实现了这个愿望。在与加州理工学院的斯宾瑟·凯利斯的研究团队,以及约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的机器人专家一起合作后,我们成功地将索尔托的意识信号和机器视觉加工以及机器人技术整合在了一起。机器视觉的算法会分析来自摄像机的信息,而运动意图信息会结合这些视觉算法驱动机械臂运动。得益于此,在众人的欢呼声中,索尔托实现了他的愿望。2015年我们在《科学》杂志上发表了第一篇关于使用后顶叶皮层的运动意图信号控制神经假肢的文章。

盖世电竞 10睡眠,实际上是由大脑精密控制的一个行为。当人的睡眠开始变得不好,比如每天早上5点钟就醒了,可能是脑衰退的一种体现。" style="width:60%;margin:1rem auto">

除了索尔托,还有其他的受试者也参与了试验。南茜·史密斯已经参与试验5年了。她因为10年前的一场车祸导致四肢瘫痪,在这之前她曾是高中的计算机图形学教师,业余时间喜欢弹钢琴。泰森·阿夫拉洛的小组负责史密斯的试验,他们在史密斯的后顶叶皮层脑区中发现了精细控制双手各个手指的区域。利用虚拟现实技术,她可以通过想象控制机械手的手指运动,并用电子钢琴弹奏出简单的旋律。

{"type":1,"value":"人不同于很多其他的植物,他有非常复杂的社交行为。比方说猫咪在抱着你的腿撒娇的时候,实际上这是猫咪的一种需要,我们人也有非常强烈的社会交往需要,我们在后边还会讲到。

3.从目标信息到动作

人能够学习和记忆,不光是在学校里读书,学习课本上的知识,学习打牌,知道打牌输了的时候往脸上贴纸条,这也是学习的一部分。

我们惊讶地发现,神经元编码的信号与患者的意图息息相关,从区区几百个神经元的活动中可以解读出海量的信息。由此,我们可以解码许多认知活动,包括运动策略(比如是在脑海中想象运动还是尝试让身体做出运动)、手指的运动、抓握的手势、观察行为、听到如“抓”或者“推”这类动词,以及算数行为。最神奇地是,我们只要植入微小的电极,就能够解码一个人如此多样的意图和行为。

盖世电竞 11我们人还有一些非常特别的,经过自然选择保留下来的行为,比方说冒险的行为,大家觉得非常简单,实际上冒险一点都不简单,它是经过大脑非常复杂的计算,才能够执行的一个行为。" style="width:60%;margin:1rem auto">

但是,为什么从一小块脑组织可以获得如此多的信息呢?这让我想起在早年遇到的一个类似的问题。当我在约翰·霍普金斯大学弗农·芒卡斯尔(VernonMountcastle)的实验室担任博士后研究员时,主要负责研究猕猴的后顶叶皮层是如何表征视觉空间的。我们的眼睛就像是一台相机,当图像投射到视网膜上时,视网膜将光刺激的位置信息传输给大脑,那么整个图像便转换为基于视网膜坐标下的光强信息。每个视网膜上的神经元对坐标系中的一小块特定区域的图像有反应,这个区域被称作感受野。眼睛与相机的不同之处在于,当相机晃动时,图像也随之抖动,但当人眼运动时,你看到的世界是相对稳定的。这就意味着,眼睛接收到的视网膜图像需要被转化为空间的视觉表象,也就是说,视网膜上的信息必须在神经元层面转换成空间信息,我们才能在眼球运动时不感到天旋地转。

{"type":1,"value":"后边还会讲大家的七情六欲,我们为什么会喜怒哀乐?我希望带给大家的一个观点是,大脑不光是智力的源泉,非常重要的,它也是情感的源泉。

后顶叶皮层正是完成这一任务的关键脑区,它可以对视觉信息进行复杂加工,完成视觉空间的坐标系转换。在伸手做抓取运动的过程中,大脑同样需要将双眼注视的位置信息纳入计算加工,而后顶叶皮层损伤的患者是无法准确完成抓取动作的。芒卡斯尔的实验室发现,后顶叶皮层的每个神经元的感受野都会对视觉场景中某一部分有反应,同时,这些神经元还会记录眼睛注视的位置信息。当神经元将感受野和位置信息混合后,因为其组合了两种表征信息,我们将这样的视觉信号称作混合表征,也称增益野。

总结一下大脑的功能,我认为可以分成四个部分,第一是我们能够感知周围的环境,第二个是运动控制。不光是运动,包括我们的生理都是由大脑来控制的。

后来,我在与加利福尼亚大学圣迭戈分校一街之隔的索尔克研究所(SalkInstitute)拿到了第一个正式教职,继续探究大脑是如何表征空间信息的。当时我和加利福尼亚大学圣迭戈分校研究神经网络的理论神经科学家戴维·兹普瑟(DavidZipser)教授合作,在《自然》杂志上联合发表了一项研究——我们构建了一种计算机模型,可以将视网膜坐标与眼睛注视的位置信息整合起来,在眼睛运动的情况下生成稳定的坐标空间。通过对计算机神经网络的训练,它们同样能够演化出增益野,这与我们在后顶叶皮层的实验结果一致。在模拟网络中,把视觉信号和眼睛注视位置的信息混合后,再把混合信息输入单个神经元,最少只需9个神经元便可编码出整个视野信息。

第三是我们经常提到的学习和记忆,最后是情绪和情感。对于大脑的结构来讲,一个基本的特点就在于,不同的大脑区域可以控制不同的功能。比方说你的前额叶皮层就是用来控制情感的,包括你的决策。

最近,科学家也开始逐渐关注神经元同时编码多个变量的混合表征,即增益野。比如,有实验发现前额叶皮层会记录两种类型的记忆任务,以及不同物体的视觉刺激,也就是该区域的神经元会编码混合表征。这一研究或许可以进一步解释后顶叶皮层的工作原理。实验中,我们让史密斯控制屏幕上的假肢完成8种不同的组合任务。首先,她要选择使用的策略,即选择想象运动还是真实运动;接着,她要选择运动的方向,向左或向右;然后,是选择动手还是动肩。我们发现后顶叶皮层的神经元以混合方式编码了以上所有的信息,这些信息相互作用并产生出特异的响应模式,这与动物实验中发现的随机交互结果完全不同。

刚才演讲的唐克扬老师说,他走到山上,在思考怎么样建好建筑,在进行抉择的时候,他的前额叶皮层应该是非常活跃的。我们人有五种感知觉系统,你能够感受外面的世界,都是由后边颞叶来控制的,小脑和大脑的一部分皮层是用来控制运动的。

实际上,混合表征的编码还有更精细的分类。例如,一个控制左手运动的神经元很有可能对右手运动也有反应,但控制肩膀运动的神经元则对手部运动反应较小。这种表征方式我们称为部分混合选择性(partiallymixedselectivity)。目前,我们已经发现了部分混合表征中的一些共同点,它们或许构成了运动编码的语义框架。编码相似运动的神经元的反应也相似,一个对抓取物体的视频有反应的神经元同样可能在我们听到“抓”这个词的时候活跃起来,但编码“推”这个动作的神经元则与它们完全不同。大体上说,部分混合编码就是会处理相似的动作(左右手的动作就比较相似),而将不同的行为加以分离的过程(肩膀和手掌的运动就有极大的差异)。混合和部分混合编码在联合皮层都存在,我们还需要探究在掌管语言、物体识别和运动执行的脑区是否也存在这种规律。另外,我们也在想,初级感觉皮层和运动皮层是否也具有类似的部分混合编码的特性。

我们的呼吸心跳这些基本的功能是由脑干的一些非常重要的核团或者叫神经元来控制的。这个是大脑在结构上的一个非常重要的特点,不同的区域,执行不同的功能。

下一步,我们想了解在不影响神经假肢使用的情况下,受试者究竟能学习多少新任务。如果大脑真的可以学习使用假肢,完成各类新任务,那么或许大脑的任何脑区都可以植入电极,然后通过训练,利用脑机接口执行不同的任务——或许在初级视觉皮层植入电极也可以控制脑机接口完成非视觉任务。但是,如果学习是有限制的,那么或许在运动皮层植入电极就只可能学会运动任务。至少从已有的结果来看,想要获得何种功能,电极还是适合植入在原本就负责相关功能的脑区。

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4.从机械重回大脑

大脑不同于人体的任何一个圈,刚才跟大家讲过,它有1000亿个神经元,从细胞的数目上来讲,它和身体的其他器官没有显着的区别,但是大脑之间的神经元是通过电信号相互传递信息的,这是大脑不同于身体里其他器官的特征,下面我会用一段非常简单的视频和大家解释一下。

脑机接口的功能当然不能仅限于采集并处理信号,还应具有反馈信息的能力,比如抓取物体时,视觉反馈有助于修正机器运动的轨迹。此外,手的位置和姿势会由目标物体的位置和形状决定。如果拿起物体后没有任何触觉和肢体感觉,肢体的行为表现就会明显变差。因此对于脊髓损伤的受试者而言,为假肢增加感觉反馈是非常有必要的。他们目前还感受不到触觉和躯体位置信息,而这些感觉对于产生流畅而连贯的动作却十分重要。理想的神经假肢一定要有双向通信的能力:不仅仅能够传输使用者的想法,也要将假肢传感器感受到的信息反馈到使用者的大脑。美国匹兹堡大学的罗伯·冈特便在试图解决这一问题,他们在一位截瘫患者的躯体感觉皮层植入了阵列电极——这个区域负责处理来自肢体的感觉信息。通过埋置在躯体感觉皮层的阵列电极,冈特实验室对受试者的大脑进行了微电流刺激,而受试者则报告说感受到了来自手部表面的刺激。

每一个细胞、每一个神经元都相当于一个芯片,这个芯片会受到两种信号的影响,一种是红色信号,是激活它的信号,另外一种是蓝色信号,是抑制它的信号。经过它自己的解算后,会做出一个决定,也就是到底要不要发出这个信号。它发出的这个信号是电信号,我们在神经科学上管它叫动作电位,大家注意一下,它有红色和蓝色的信号集合。

我们同样也在患者的躯体感觉皮层负责手臂感知的区域植入了电极。令我们惊讶的是,受试者说他感受到了被掐住、轻触和震动等来自体表的感觉,同时他还产生了四肢运动的感觉。这些实验表明,那些由于高位截瘫而丧失了躯体知觉的患者可以通过脑机接口实现感觉的写入。下一步,我们将使用具有感觉反馈能力的脑机接口来验证升级后的技术能否提升大脑控制假肢的表现。我们还想知道,在加入感觉反馈之后,受试者是否会对假肢产生“一体感”——感觉假肢真的成为了自己身体的一部分。

当这个信号达到一定程度的时候,一个信号传递到下游的轴突上,这就是一个动作电位。动作电位传递到下游,每一个神经元再跟下游的1000多个神经元发生信息交互,所以它们信息交互的复杂程度远远超过了我们的想象,我认为这在一定意义上是对还原论的终极挑战,想要用还原论的方法来解答生物芯片是怎样工作的,我认为在一定程度上来说,是不可能的事情。

脑机接口的另一大挑战是电极的研发。目前的植入电极一般可以使用5年,我们希望可以延长电极的使用时间,增加可以记录的神经元个数。另外,增加电极的长度也有利于记录更多位于大脑皮层褶皱中的神经元信号。目前,有一种柔性电极,能够在大脑随血压变化、呼吸节律等因素发生移动时,和大脑一同运动,二者会保持相对静止,因此柔性电极可以带来更加稳定的记录效果。当前广泛使用的微阵列电极属于刚性电极,需要每天对解码算法进行校正。因为刚性的电极在脑内的位置会发生变化,与神经元的相对距离就会不同,从而导致信号变化,而我们希望能够连续数周甚至数月对同一群神经元进行稳定记录。

我们为什么关心大脑?为什么关心脑科学?我想除了它是我们人类认知和最终挑战的目标之一,还有一个非常重要的原因在于,大脑功能如果出现了异常,会带来非常多的疾病。

电极的植入装置也需要进一步缩小并降低功率,以免让大脑过热。如果可以使用无线传输信号,我们还可以免去头部连线的麻烦。目前所有的脑机接口都需要通过手术完成植入,我们希望有朝一日可以通过跨颅骨的方式来记录神经元发出的信号,记录精度也能和侵入式电极媲美。

我下面给大家举个例子,比方说大家都非常关心的老年痴呆症,左边是一个正常人的大脑形态,右边是得了老年痴呆症以后的。

当然,研究脑机接口的目的是帮助瘫痪病人。然而科幻小说、电影和媒体都更关注利用脑机接口来增强人类,甚至带来“超人”般的力量。但是,只有当非侵入式技术足够完善时才可能去发展所谓的“增强”技术。

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最后我想说,作为一位做基础研究的科学家,很高兴我的研究成果可以给病人带来帮助。基础研究对于技术进步和医疗器械的研发而言是至关重要的,如果能够将基础研究转化为临床应用,那么就是使研究者的努力得到了最好的升华。当患者能够驱动机械手臂和这个世界互动时,他们会感到无比的快乐,而我们也会因他们的快乐而获得难以言喻的满足。

大家可以看到它皮层的厚度大大缩减了,我们用来执行学习、记忆、情感以及运动的这些相关信息的神经元,有50%到60%以上都丧失了,它丧失了这些非常核心的部分,也就导致我们丧失了学习和记忆的能力,你不知道你的家在哪了,你不认识你的女儿了。

(本文作者理查德·安德森是美国加州理工学院詹姆斯·鲍斯威尔神经科学讲席教授,同时也是陈天桥雒芊芊脑机接口研究中心的首席科学家及负责人。他的研究内容涵盖视觉、听觉、平衡觉、触觉与运动以及神经假肢的研发。安德森也是美国科学院和美国文理学院院士。译者王天威是中科院神经科学研究所的博士生)

除此之外,画面中的这位老人得了另外一种神经疾病,也是一种神经退行性疾病,叫帕金森氏症。可以看到他在静息态时,有非常严重的震颤。

本版图文由《环球科学》杂志社供稿

那么这个震颤是由什么产生的呢?在中脑里,有一些神经元叫多巴胺神经元。我们到现在还不清楚其中的缘由,随着人年龄的增长,这些多巴胺神经元会逐渐死亡,当它死亡超过85%的时候,就会出现这位老人在静息态的震颤症状。

《光明日报》( 2019年05月09日14版)

盖世电竞 14除此之外还有一些,比如睡眠方面的疾病,不光人会得这个病,狗也会得,视频里这只狗得了一种非常奇怪的睡眠症,叫发作性睡眠症,大家可以观察一下,它刚才还玩得好好的,但是当控制睡眠的神经元出现问题的时候,它就会不由自主的睡过去,像现在,就已经完全睡过去了。" style="width:60%;margin:1rem auto">

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{"type":1,"value":"我想说明一点,大脑真的非常复杂,很多事情看起来容易,但日常生活中的每一件事情都是有精密调控的,哪怕它出现一点问题,都会给你的生活带来很大的困扰。

那么回到我们的正题,恐惧和焦虑。其实这只是一个引子,我会利用恐惧和焦虑两个例子,具体解释大脑各部分可以执行不同的功能。我最后的结论是,恐惧是由大脑中不同区域来执行的。其实你理解吗?你不理解。我理解吗?我很多时候也不理解。

回到我们刚才提到的,我们是用还原论的方法来拆分大脑,但实际上,我们在分析大脑功能的时候会遇到很多困难。

所谓恐惧,就是当你在树林里见到一只大老虎以50公里的速度朝你冲过来,你所有的生理和心理反应的集合就叫恐惧。当你走在路上,离树林还有200公里远,你就担心遇到大老虎,这叫焦虑。

那么控制焦虑的脑区看起来跟控制恐惧的脑区是一样的,说句实在话,我也不理解这到底是怎么回事。

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左:控制恐惧的脑区和神经环路

右:控制焦虑的脑区和神经环路

但是有一些我们是理解的,比方说大脑中的一些特定结构,是跟恐惧和焦虑有着直接关系的。大脑中有一个跟杏仁差不多大小、长的也像杏仁的结构叫杏仁核,它的功能消失,人就完全没有恐惧了。他可以在大街上朝着汽车走过去,完全没有任何恐惧的感觉。

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在恐惧和焦虑出现异常的时候,会通过很多精神疾病反映出来。比方说我们有一类精神疾病叫情感障碍affective disorder,它影响成年人会更多一些,比如抑郁症、焦虑症、恐惧症、强迫症,这些都和刚刚提到的那些神经元的功能失常有关系。

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