大脑有Replay 模式?没错,就在你睡着后

入睡后,我们的大脑将离线,打开重放模式,在清醒时再现经验,记忆将被巩固。

此前,科学家只在啮齿动物和其他非人类动物中观察到这一过程。在一项脑-机接口试点临床试验中,来自麻省总医院、哈佛医学院、布朗大学、加州大学圣地亚哥分校和其他机构的一组研究人员首次观察了两个人类参与者大脑运动皮层中获得性神经刺激序列的重放过程。

当地时间2020年5月5日,《细胞报告》杂志在网上发表了该小组的论文,题目是《人类运动皮层中学习神经放电序列持续时间的重放》。

将传感器放在大脑皮层

作为人类神经系统最高级的部分,我们的大脑在左右大脑半球的表面有一层灰质,通常被称为“大脑皮层”。

雷锋网深知大脑皮层的地位不可低估。大脑皮层中大约有140亿个神经细胞,大脑皮层是思维的器官,控制着身体的所有活动,并在调节身体和周围环境的平衡中发挥作用。因此,大脑皮层可以说是人类高级神经活动的物质基础。

在大脑皮层中,有一个区域参与计划、控制和执行自主运动,即“运动皮层”。

上述研究小组的脑-机接口试点临床试验从运动皮层开始——研究人员已经在参与者的大脑中放置了两个1.5毫米96通道硅微电极阵列很长时间。

事实上,该论文的一位合著者,比塔·雅罗塞维茨,在谈到为什么采用硅微电极阵列时说道:

用于治疗帕金森氏病和其他疾病的电极太大,无法跟踪单个神经元的峰值活动。然而,我们临床试验中使用的电极阵列是第一个允许在人脑中进行如此详细的神经记录的电极阵列。只有在这一点上,我们的研究是前所未有的。

据了解,两个参与者都是四肢瘫痪,目前需要依靠呼吸机生活,但他们仍然可以说话。其中,受试者T9在参与研究前已植入硅微电极阵列11个月,T10在参与研究前已植入硅微电极阵列3个月。

通过两个参与者大脑运动皮层的放电活动,研究人员试图找到“特定学习相关神经放电序列的离线重放”的直接证据。

雷锋的网络从美国临床试验数据库“临床试验”中得知,这项试验被称为“大脑门2”,上述硅微电极阵列也被称为“大脑门2传感器”。这项测试的目的是促进脑-机接口技术的发展,使四肢瘫痪的病人可以利用他们的神经活动来控制计算机、机械臂和其他设备。主要终点是确定脑门2神经接口系统的安全性,次要终点是确定脑门2的可行性并为后续大规模临床研究建立参数。

从下图可以看出,实验于2009年5月开始,最终完成时间预计为2022年12月。研究人员将在至少一年内每周至少记录一次参与者的神经。

以想象的方式参与游戏。

事实上,实验的过程可以用下图来表示。

具体来说,两个参与者参加了一个“序列复制游戏”,类似于20世纪80年代的记忆游戏“重复”。这个游戏的视频有四个不同顺序的彩色面板。玩家需要重复特定的顺序并再次点亮彩色面板。

实验中游戏的特点是参与者不需要移动他们的手臂,只需要用他们的思维想象他们用手控制光标快速移动,并快速准确地击中记忆序列中正确的颜色块。

据报道,研究人员要求参与者在玩游戏前后(约20分钟)小睡一会儿(每人20-30分钟)。在休息——玩游戏——休息的过程中,研究人员通过大脑门2传感器记录了参与者大脑中大量神经元的峰值活动。

基于上述特征,为了判断BrainGate2是否可靠,重复和控制序列的数量是一个重要的度量。根据本文,在整个过程中有66个重复序列和22个控制序列。

实验表明,从游戏前的休息到游戏后的休息,重复序列的相关性比控制序列的相关性增加更多。同时,在游戏期间和游戏后的休息期间,参与者大脑中神经元的放电模式是相同的,这是人类大脑睡眠时“离线重放”的直接证据。

正如比塔·雅罗塞维茨所说:

这是第一个直接的证据,证明人类大脑在睡眠中醒来时回放学习,这可能有助于巩固记忆。几十年来,我们已经研究了与其他动物大脑回放相关的记忆巩固机制,事实上这也适用于人类。

值得一提的是,该研究团队来自脑门,这是一个学术研究联盟,专注于开发人工神经接口的科学和医学。其成员包括布朗大学、麻省总医院、凯斯西储大学和斯坦福大学。它与NeuraLink公司(由Musk建立)和Kernel公司一起,在美国侵入式脑-机接口研究领域排名第一。

至于未来的研究方向,该团队希望探索大脑再生机制和记忆形成之间的潜在联系。

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原标题:睡眠后新发现的脑机接口,大脑回放觉醒的体验

标题:大脑有Replay 模式?没错,就在你睡着后

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