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罗敏敏组建立新型脑-脑接口实现“阿凡达”式的跨鼠遥控

人工智能产业链联盟 | 人工智能产业链核心:基础技术、 2020/04/09 22:43

来源:中国科学杂志社

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。近几年有研究展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。主要的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(0.004-0.033 bits/s)。因为运动包含起始、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。

近日, 北京生命科学研究所/北京脑科学与类脑研究中心罗敏敏实验室 Science China Life Sciences 发表了题为“ An Optical Brain-to-brain Interface Supports Rapid Information Transmission for Precise Locomotion Control ”的研究论文。

基于其实验室之前关于脑干未定核可整合性调控运动、觉醒及海马区theta波的发现,他们进一步发现脑干未定神经元活性可预测动物运动速度。基于这个发现,作者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。

新知图谱, 罗敏敏组建立新型脑-脑接口实现“阿凡达”式的跨鼠遥控

图1 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。A,光学脑-脑接口示意图。光纤记录系统记录一只鼠的未定核神经元活性(表达了钙指示蛋白GCaMP6m,称为“控制鼠”),通过程序把神经元活性信号转化成光脉冲信号,进而传递给另一只鼠的未定核神经元(表达了光敏感通道蛋白ChR2,称为“阿凡达鼠”),小鼠头部固定但身体可在跑轮上自由跑动。B,从上到下依次是控制鼠运动速度,控制鼠未定核神经元活性变化,信号转化方程,光脉冲信号,阿凡达鼠运动速度。C,阿凡达鼠运动速度(蓝色)与控制鼠运动速度(红色)高度同步。D,阿凡达鼠运动速度与控制鼠运动速度正相关。E,控制鼠与阿凡达鼠之间的信息传递速率。

光学脑-脑接口使一只小鼠(控制鼠,Master mouse,左)精确控制另一只小鼠(阿凡达鼠,Avatar mouse,右)的运动。两只小鼠分别被固定头部,放置于一定距离的跑轮上。

该研究巧妙地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”,图1A-B)。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(图1C-E),比之前同类研究高2-3个数量级。

该研究强调了在建设高性能脑-脑接口时,选择合适的神经环路以及记录和刺激工具的重要性。 该研究能实现高信息传递速率的原因有以下几个:首先,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,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,这有以下几个优点:(1)可以稳定记录有相似功能的特定细胞类型的神经元活性;(2)信噪比高;(3)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。最后,作者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。

该研究展示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-脑接口的潜力。

该工作主要由罗敏敏实验室卢立辉完成,王睿宇协助完成了解码的程序编写,罗敏敏博士为该文通讯作者。该 工作在北京生命科学研究所及北京脑科学与类脑研究中心完成。

文章信息:[点击 下方链接或阅读原文]

Lu, L., Wang, R., and Luo, M. (2020). An optical brain-to-brain interface supports rapid information transmission for precise locomotion control. Sci China Life Sci 63, https://doi.org/10.1007/s11427-020-1675-x

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