一個電極的腦機接口

那么用一個電極的腦機接口有多大效果呢?其實效果還是很可觀的。1960年代,耶魯大學腦機接口的先驅荷塞·德爾加多(J．M． Delgado)就成功展示了用1-2根電極的腦機接口可以讓一頭憤怒的公牛掉頭逃走(圖2)。其原理非常簡單,就是把一根電極植入腦子里負責產生恐懼感的結構(杏仁核)。當公牛向他沖過來的時候,他通過遙控器向那個電極傳入電流,讓杏仁核里的神經細胞興奮起來。這時牛就會產生一種無比巨大的恐懼感,掉頭跑掉。但是實際用的時候發(fā)現(xiàn)牛沖得太快,讓人來不及躲。于是他又在牛腦內控制的結構(尾核)里加了一個電極。這個電極一通電就能攪亂牛跑步的動作, 感覺像踩上香蕉皮,牛就會急剎車,立刻慢下來。從那個時代至今,已經有很多刺激腦皮層以下關鍵結構的研究,也產生了驚人的效果,如超過一切真實體驗的欣快感或恐懼感,能讓沖鋒的公牛突然僵住或讓僵住的巴金森病人瞬間恢復自由活動能力等(就是醫(yī)院里常說的“腦起搏器”)。

圖2 德爾加多和他用腦機接口戰(zhàn)勝暴怒公牛的實驗

但德爾加多的實驗還不算真正意義上的腦機接口,因為它的電極影響了周圍一大堆神經細胞,只是對正常神經過程進行干擾。

1980年代,科學家做了一個更精細的實驗說明操控少數(shù)神經細胞就能對決斷產生影響。這個實驗是讓猴子看一個屏幕,上面有許多亂飛的點點,類似于圍著桌子飛的一群蒼蠅。這時讓猴子做個游戲,判斷是從右向左飛的點點多還是從左向右飛的點點多。如果猴子認為向右飛的多,就按右邊的電鈕,認為向左飛的多就按左邊的電鈕。猜對了有獎!剛開始的時候先玩80:20,即100個點子里有80個向一個方向飛,另外20個向反方向飛。猴子很快就學會了。然后研究人員就提高難度,75:25,70:30, 65:35 …… 越來越難。然而猴子都是打電玩的高手,玩了幾天,技能就提高到50:49。即滿屏飛行的點點里哪怕有1% 的不對稱 ,猴子也能猜對。然后研究人員就開始耍賴,讓給猴子看沒差別的屏,即50:50。這種情況下猴子無論如何努力,都只能蒙對一半。這時研究人員用一個單電極腦機接口影響大腦皮層視覺區(qū)中少數(shù)幾個神經細胞的放電,結果發(fā)現(xiàn)這樣微小的影響居然能改變猴子的猜左或猜右的決斷。對這個實驗您可以腦補一下,您在做決定去看電影還是去喝咖啡時,腦子里會有萬億神經細胞在七嘴八舌地吵。這時是不是可以用影響其中很少數(shù)幾個神經細胞的活動來讓您改主意?

多個電極的信息優(yōu)勢

只用一個電極的腦機接口有兩個很大的缺點:一是通訊的信息量非常少,只能在小范圍內變化。第二是可靠性太差,如果這個神經細胞“走神了”即不去參加您想控制的腦活動,或者躺平死了,那么控制就失效了。所以,目前的腦機接口都需要很多電極。舉兩個有新聞效應的例子,一個是用一百多個電極實現(xiàn)對手指的虛擬感覺(圖3),另一個是用一百多個電極實現(xiàn)截癱病人快速打字等等。

圖3 用多個電極產生虛擬感覺 A 把假手的每個手指分成八個區(qū)域(1-8),把每個區(qū)域的壓力傳感器信號轉化成電流通進一個電極。這樣假手上不同位置的不同壓力就能轉化成對不同神經細胞的不同發(fā)放頻率,以產生虛擬感覺。B 電極植入腦皮層的位置示意圖,虛線代表腦皮層上的主要地標“中央溝”,中央溝后面就是身體感覺的手區(qū)。C 病人腦皮層上實際的感覺區(qū)與電極的相對位置。淺黃色為手掌感覺區(qū),橘黃為小指區(qū),淡紫色為食指區(qū),紅色為拇指區(qū)。灰色方塊為電極陣的位置。從圖中可以看出,植入電極的范圍雖然遠比手感覺區(qū)小,而且手指手掌的位置也和感覺區(qū)對不上。但是通過手眼結合的訓練,病人逐漸能學會,產生逼真的虛擬感覺。(圖源:Flesher et al．, Sci． Transl． Med． 8, 361ra141 (2016) )

用多個電極獲得的信息量不是簡單的加和,而是一加一大于二,能在好幾個方面獲得單電極測不到的信息。

首先,單電極只能看到眼前一個神經細胞放電速率的改變,卻不知道這是否只有這個細胞在“發(fā)神經”, 還是周圍很多神經細胞都在活動。而用多個電極則很容易分辨這兩種情況。這個有多少個神經細胞一起活動的信息很重要,因為一般大腦想做點什么事都需要大量神經細胞的參與,因此看到很多神經細胞都在放電就意味著有一個正在進行的神經過程。

其次,多電極可以看到不同神經細胞之間活動的關聯(lián)。關聯(lián)有正有負。正相關指神經細胞A和B的活動同時增加或同時減少;而負相關則是A增加對應于B減少,A減少對應B增加。細胞間的活動關聯(lián)信息對于解讀腦子想干什么很重要。比如在上面提的用100個電極實現(xiàn)快速打字的例子里,神經細胞A, B,C的活動可能在病人想畫順時針圓圈的時候出現(xiàn)正相關,而D,E,F活動出現(xiàn)負相關;而當想畫右折角的時候,則出現(xiàn)B,D, F正相關,A,C,E負相關。這樣把多個電極測到的放電送給AI的神經網絡去分類,再跟病人的具體意愿進行對比,就能更準確地猜出病人想寫什么字母串。

第三,用多個電極可以獲得不同神經細胞放電信號之間的時間關系。神經放電信號很短促,只有1 毫秒(千分之一秒)的時間。如果A放電后B也緊跟著放電,就可以說二者間活動是同步的。同步是比相關更強的聯(lián)系,提示二者間可能有物理聯(lián)系或共同接收另一個神經細胞的信號。一個神經過程經常是幾百萬到幾億神經細胞協(xié)同活動,其中包含高度復雜的相關、同步和因果關系�？梢韵胂�,腦機接口的電極數(shù)量越多,就越能透徹地分析出大腦想干什么。

如果把大腦比作一個世界,每個神經細胞比作一個人,那么顯然同時與很多人通訊才能更準確地把握世界的動態(tài)。