2022年10大突破性技術(shù)之記憶植入物

2022年10大突破性技術(shù)之記憶植入物重要性：大腦損傷會致使人們失去形成長期記憶的能力。突破：動物實驗表明，可以通過將電極移植進(jìn)大腦內(nèi)來糾正記憶問題。主要參與者：美國南加州大學(xué)維特比工學(xué)院工程系生物醫(yī)藥工程教授

西奧多?伯格、美國維克森林大學(xué)心理及藥理系的塞繆爾?戴德威勒、美

國肯塔基大學(xué)的格雷格?格哈特、美國國防部先進(jìn)研究項目局〔DARPA〕。美國一位標(biāo)新立異的神經(jīng)學(xué)家宣稱，他已經(jīng)破解了人類腦部儲存長期

記憶的方式與記憶碼的型態(tài)，未來，人類可以通過移植進(jìn)大腦的電子芯片

來修復(fù)受損的記憶或者重新形成長期記憶。設(shè)想一名阿茲海默氏癥病人，

或是因腦中風(fēng)而記憶嚴(yán)重受損的失憶癥患者，病后不認(rèn)識自己周邊的親人，

甚至連自己是誰也不知道，此時假設(shè)能將他先前儲存在電子記憶體內(nèi)的記憶

重新植入他的腦部，就能讓他重返往日的人際關(guān)系中，恢復(fù)往日的生活步

調(diào)。如果這一奇跡變成現(xiàn)實，那么，學(xué)生們將不會再為記不住教科書上的

知識點(diǎn)而傷神；法官和律師們也用不著絞盡腦汁去記那些繁瑣而冗長的法

律條文。不管你信不信，反正這位神經(jīng)學(xué)家相信。伯格預(yù)測，在并不遙遠(yuǎn)的未來，植入大腦的電子芯片可幫助失憶病患

重新獲得記憶。伯格表示，那些因為阿茲海默氏癥、中風(fēng)、受傷而使得腦部遭受重創(chuàng)

的人，其大腦內(nèi)被破壞的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)常常會阻止長期記憶的形成。經(jīng)過20

多年的研究，他已經(jīng)設(shè)計出了一種硅芯片，可以模擬這些受損的神經(jīng)細(xì)胞

正常工作時的信號處理過程，讓那些失憶病患重新回憶起失憶一分鐘前的

經(jīng)歷和知識。伯格希望這些芯片植入物最終能被植入大腦，從而恢復(fù)大腦

制造長期記憶的能力。目前，伯格團(tuán)隊尚未對他們的神經(jīng)“假體〞進(jìn)行人體測試，但是，他

們進(jìn)行的實驗表明，一塊通過電極同猴子和老鼠的大腦相連接的硅芯片可

以像真實的神經(jīng)細(xì)胞一樣處理信息。他說：“我們放入大腦中的并非過往

的記憶，而是生成記憶的能力。〞2022年秋天，他們發(fā)表文章闡述了如

何幫助失憶的猴子重拾“丟失〞的長時記憶，這一實驗令人印象深刻。在此之前，伯格和同事已經(jīng)成功地對大腦內(nèi)形成記憶的那部分一一海

馬體如何傳遞部分神經(jīng)信號進(jìn)行了解碼，并利用電子芯片模擬信號在老鼠、

兔子等實驗動物上進(jìn)行了實驗，結(jié)果都是成功的。海馬體的神經(jīng)信號可以

讓腦損傷的老鼠、兔子重獲失去的記憶。伯杰希望這樣的研究成果能催生

出新一代的假體，即“記憶假體〞，讓腦損傷病人在模擬神經(jīng)信號的幫助

下站立、行走，甚至重新獲得學(xué)習(xí)能力。如果記憶“假體〞這一美好愿景聽起來太遙遠(yuǎn)的話，伯格列舉了最近

其他科學(xué)家在神經(jīng)“假體〞方面取得的成功案例。例如，澳大利亞助聽器

研發(fā)生產(chǎn)商科利耳公司研制的移植設(shè)備正嘗試通過將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?/p>

號并將電信號發(fā)送到耳聾患者的聽覺神經(jīng)內(nèi)，以幫助20萬名耳聾病患恢

復(fù)聽力。無獨(dú)有偶，早期的實驗已經(jīng)證明，移植進(jìn)入體內(nèi)的電極能使癱瘓

病人借助思想來移動機(jī)器手臂。其他研究人員也在用人工耳蝸治療盲人病

患方面取得了初步成功。但是，恢復(fù)大腦內(nèi)某種形式的認(rèn)知比上述任何成功都要困難。在過去

的35年內(nèi)，伯格一直在嘗試?yán)斫馀c海馬體內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞的行為有關(guān)的基本

問題。伯格說：“很顯然，海馬體使短期記憶變成長期記憶。〞目前唯一不清楚的是，這些海馬體如何獲得這種復(fù)雜的能力。伯格已

經(jīng)研發(fā)出了數(shù)學(xué)定理來描述電信號如何通過海馬體的神經(jīng)細(xì)胞從而形成長

期記憶，而且，他也已經(jīng)證明，這些方程式與現(xiàn)實情況非常吻合。他說：

“你并不需要做大腦做的任何事情，你需要的是至少能模擬大腦做的部分

事情。〞接著，他又問道：“你能模擬這些活動，然后將其放入一個設(shè)備

內(nèi)嗎？你能讓該設(shè)備在任何大腦中都起作用嗎？正是這三點(diǎn)使人們認(rèn)為我

瘋了，他們認(rèn)為這太難做到了。〞破解代碼說到如何定義記憶，伯格表示：“給定數(shù)量的神經(jīng)細(xì)胞在一定時間內(nèi)

產(chǎn)生的一系列電脈沖。這一點(diǎn)非常重要，因為你可以將其簡化到此并再將

其放回到研究框架中。你不僅能以生物學(xué)的角度來理解所發(fā)生的事情一一

這意味著你能干涉它；處理它；能置入一塊電極；能記錄與你對記憶的定

義相匹配的事情。你會發(fā)現(xiàn)有2147個神經(jīng)細(xì)胞是這一記憶的一部分，而

且，這些神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生了什么呢？它們產(chǎn)生了這一系列的脈沖。這并非很

玄妙的事物，它是你能應(yīng)付的事物；是正在發(fā)生的事情。〞這是傳統(tǒng)的記憶觀點(diǎn)，但它只抓住了表象。而且，經(jīng)常使伯格感到挫

敗的是，他的很多研究大腦內(nèi)這一神秘領(lǐng)域的同事并不打算進(jìn)行更深入的

研究?，F(xiàn)在，很多神經(jīng)科學(xué)家通過監(jiān)控動作電位、神經(jīng)細(xì)胞表面的微伏〔1伏特的百萬分之一〕變化來追蹤大腦中的電信號。但是，伯格表示，

所有這些神經(jīng)學(xué)家發(fā)表的報告常常會對實際發(fā)生的情況進(jìn)行簡化。伯格說:“他們在環(huán)境中發(fā)現(xiàn)了一件重要的事情，然后計數(shù)動作電位，接著說，

‘我做了什么事情后，動作電位從1飆升至200,我發(fā)現(xiàn)了一些有趣的事

情’。其實，他們發(fā)現(xiàn)的是什么呢？活動增加，那又怎樣？有什么意義呢?它描述的事情與鄰近的神經(jīng)細(xì)胞有關(guān)嗎？它會使鄰近的神經(jīng)細(xì)胞做不一樣

的事嗎?。课覀儜?yīng)該做的是：解釋事情而不僅僅是描述事情。〞伯格表示：“我的海馬體已經(jīng)對你形成了長期記憶，在接下來的一周

內(nèi)，我都會記住你，但是，我如何將你與接下來我要記住的那個人區(qū)別開

來呢？在海馬體內(nèi)有大約50萬個細(xì)胞表示你，每個細(xì)胞都進(jìn)行了編碼，

比如，你的鼻子同你的眉毛之間的關(guān)系等，而且，這些細(xì)胞編碼的模式都

不相同，因此，現(xiàn)實中的神經(jīng)系統(tǒng)真的很復(fù)雜，這就是為何我們現(xiàn)在仍然

詢問如此基本的問題的原因。〞伯格在哈佛大學(xué)讀研究生時的導(dǎo)師是理查德?湯普森，他主要研究大

腦內(nèi)區(qū)域化的、促使學(xué)習(xí)的變化。湯普森使用一種語調(diào)對兔子說話，并對

兔子吹一口氣，讓兔子學(xué)會受到這樣的對待就眨眼睛，這樣做的目的是確

定他引發(fā)的記憶被兔子存儲在了何處。伯格表示，這一方法是為了發(fā)現(xiàn)大

腦內(nèi)讓學(xué)習(xí)本地化的特定地方。湯普森在伯格的幫助下做到了這一點(diǎn)，1976年，他們發(fā)表了研究結(jié)

果。為了發(fā)現(xiàn)兔子大腦內(nèi)存儲記憶的位置，他們?yōu)橥米拥拇竽X配備了能夠

監(jiān)測神經(jīng)細(xì)胞活動的電極。神經(jīng)細(xì)胞膜上有門，讓鈉和鉀等帶電粒子進(jìn)進(jìn)

出出。湯普森和伯格記錄下了當(dāng)兔子形成記憶時，他們在兔子大腦的海馬

體內(nèi)看到的電尖峰脈沖。這些電尖峰脈沖的振幅〔代表了行為電壓〕和間

距都會形成一定的模式。伯格認(rèn)為，它不可能是隨機(jī)的，這種模式與時間

有關(guān)。這促使他提出了一個問題，這一問題是他目前研究的基礎(chǔ)：隨著細(xì)胞

接收和發(fā)送電信號，什么模式可以描述輸入和輸出之間的定量關(guān)系呢？也

就是說，如果一個神經(jīng)細(xì)胞在特定的時間和地點(diǎn)通電，相鄰的細(xì)胞會如何

反應(yīng)呢？這一問題的答案可能會揭示神經(jīng)細(xì)胞用來形成長期記憶的密碼。

但伯格很快就意識到，這一問題的答案非常復(fù)雜。在上世紀(jì)80年代

末，伯格在美國匹茲堡大學(xué)同羅伯特?斯卡拉巴斯合作時，就對海馬體內(nèi)

一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的屬性深深著迷。當(dāng)他們用電脈沖〔輸入〕刺激兔子的海馬

體，并用圖表顯示出該信號如何通過不同的神經(jīng)細(xì)胞〔輸出〕時，他們觀

察到這兩者的相互關(guān)系并非線性關(guān)系。伯格說：“你輸入1得到2,這很

容易，因為這是線性相關(guān)。但是，我們的結(jié)果卻是非線性的。〞信號會相

互重疊，某些信號會抑制輸入的脈沖而有些信號會強(qiáng)化輸入的脈沖。到上世紀(jì)90年代早期時，隨著他對海馬體的理解不斷深入以及計算

機(jī)硬件突飛猛進(jìn)的發(fā)展，他開始和其南加州大學(xué)工程學(xué)系的同事攜手制造

能模擬部分海馬體處理信號過程的計算機(jī)芯片。伯格說：“顯然，如果我

能在硬件上大規(guī)模做這些事情，我們就可以獲得大部分大腦處理信息的過

程了。〞大腦植入物因此，伯格開始同南加州大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程師西利斯?馬爾馬雷利

斯攜手工作，制造“大腦假體〞。剛開始，他們用老鼠的海馬體切片進(jìn)行

研究。當(dāng)他們知悉了神經(jīng)信號如何從海馬體的一端移動到另一端之后，他

們開始朝海馬體內(nèi)發(fā)送隨機(jī)信號，并在不同的地點(diǎn)記錄下這些信號，以查

看這些神經(jīng)信號如何轉(zhuǎn)變成電信號，接著，他們推導(dǎo)出一些數(shù)學(xué)方程式來

描述這種轉(zhuǎn)變。最后，他們在計算機(jī)芯片上執(zhí)行了這些方程式。接下來，為了評估這樣的芯片是否能用作“假體〞來承擔(dān)受損的海馬

體區(qū)域的功能，科學(xué)家們對它們是否能疏通大腦切片內(nèi)通路的中央部分進(jìn)

行了調(diào)查。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，放置在該區(qū)域的電極會將電脈沖攜帶到外部芯片上，

外部芯片隨后執(zhí)行通常在海馬體內(nèi)完成的轉(zhuǎn)化過程。其他電極則將信號傳

回大腦的切片內(nèi)。

接下來，他們繼續(xù)向前，在活的老鼠身上進(jìn)行了實驗。在老鼠身上進(jìn)

行的實驗證明，計算機(jī)實際上能夠用作海馬體的人造部分。在實驗中，他

們訓(xùn)練老鼠推兩個杠桿中的一個就可以受到某種對待，當(dāng)老鼠選擇正確的

杠桿時，他們就記錄下海馬體內(nèi)的脈沖信號。使用記錄下的數(shù)據(jù)，伯格團(tuán)

隊做出模型，顯示了這一教訓(xùn)被轉(zhuǎn)化成長期記憶時，信號如何被轉(zhuǎn)化，而

且，他們也捕捉到了代表記憶本身的代碼。他們證實，老鼠學(xué)會這一任務(wù)時被記錄在老鼠大腦內(nèi)的輸入信號能讓

該設(shè)備產(chǎn)生長期的記憶代碼。接著，他們給老鼠喂了一種會影響它們形成

長期記憶能力的藥物，使老鼠忘記了選擇哪個杠桿能獲得這種對待。當(dāng)研

究人員用這些代碼給服藥老鼠的大腦發(fā)送脈沖時，老鼠能選擇正確的杠桿。2022年，科學(xué)家們發(fā)表了在靈長類動物的前額皮質(zhì)上進(jìn)行實驗后得

到的結(jié)果。前額皮質(zhì)能取回由海馬體創(chuàng)造的長期記憶?？茖W(xué)家們將電極放

置在猴子的大腦內(nèi)，捕捉在前額皮質(zhì)內(nèi)形成的代碼，他們認(rèn)為前額皮質(zhì)使

動物能記住此前看過的圖像。接著，科學(xué)家們給猴子喂食了會損害它們的

前額皮質(zhì)的可卡因。接下來，科學(xué)家們將電極植入猴子的大腦內(nèi)，結(jié)果發(fā)

現(xiàn)，當(dāng)這些電極朝猴子的前額皮質(zhì)發(fā)送正確的代碼，猴子在圖像識別任務(wù)

上的表現(xiàn)明顯變得更好。伯格和同事希望在未來兩年內(nèi)能將實際的記憶“假體〞植入動物大腦

內(nèi)。他們也希望能證明，他們的海馬體芯片能在很多不同的行為環(huán)境下形

成長期記憶。畢竟，這些芯片主要依靠研究人員從實驗中推演出來的數(shù)學(xué)

方程式來工作。存在著一種可能性，那就是，科學(xué)家們僅僅知道這些與特

定任務(wù)有關(guān)的代碼。要是這些代碼并非放之四海而皆準(zhǔn)，不同的輸入要用

不同的方式來處理。換句話說，科學(xué)家們實際上并沒有破解這些代碼，只

是僅僅描述了某些簡單的信息。

伯格也認(rèn)為，這種情況有可能會發(fā)生，而且，他的芯片有可能只在有

限的情況下才能形成長期記憶。但是，他強(qiáng)調(diào)說，大腦的形態(tài)學(xué)和生物物

理學(xué)限制了芯片的能力：實際上，海馬體中的電信號就有很多種轉(zhuǎn)化方式。

他說：“我并不認(rèn)為我們能發(fā)現(xiàn)一種能適用于很多環(huán)境或許最多環(huán)境的模

型，我們的目標(biāo)是改進(jìn)某些記憶遭受創(chuàng)傷的人的生活質(zhì)量，如果我們能賦

予他們新的形成