神經(jīng)科學(xué)家通過訓(xùn)練通常處理來自眼睛的輸入以開發(fā)新技能(在這種情況下，以控制計算機(jī)生成的音調(diào))的神經(jīng)元，證明了大腦的驚人靈活性。來自加利福尼亞大學(xué)伯克利分校，哥倫比亞大學(xué)和位于葡萄牙里斯本的尚帕里莫德未知中心的研究人員可以很容易地將位于視覺皮層的這些神經(jīng)元連接起來，以操縱機(jī)器人手臂或任何其他腦機(jī)界面，選擇感覺神經(jīng)元來完成運(yùn)動神經(jīng)元的工作。

“我們?nèi)我饨俪至艘曈X皮層中的一小群神經(jīng)元，并實(shí)際上重新路由了它們的輸出，以使它們控制腦機(jī)接口或BMI，”該論文即將發(fā)表的論文的高級作者何塞·卡梅納(Jose Carmena)說。神經(jīng)元雜志 。“為了獲得報酬，大鼠學(xué)會了產(chǎn)生與視覺輸入無關(guān)的任意神經(jīng)活動模式，以控制BMI，突出了神經(jīng)可塑性的力量和大腦的靈活性。”

Carmena和共同第一作者Ryan Neely還發(fā)現(xiàn)，從皮層到下層紋狀體的連接是該學(xué)習(xí)的關(guān)鍵，代表了反饋回路，可能是整個大腦學(xué)習(xí)和記憶的基礎(chǔ)。

“這些結(jié)果表明，紋狀體在持續(xù)的經(jīng)驗和行為結(jié)果的基礎(chǔ)上，在塑造皮層活動方面起著比以前所承認(rèn)的更廣泛的作用，并且對思想，行動和腦機(jī)接口的神經(jīng)科學(xué)具有廣泛的意義。”加州大學(xué)伯克利分校電氣工程與計算機(jī)科學(xué)系教授和海倫·威爾斯神經(jīng)科學(xué)研究所教授。

大腦的可塑性是否受到限制?

大腦的可塑性眾所周知。大腦某一區(qū)域受損的人可以重新訓(xùn)練鄰近區(qū)域以接管失去的功能?？芳{(Carmena)研究大腦如何學(xué)習(xí)新技能并控制運(yùn)動，包括對身體外部物體(如假肢)的控制，他發(fā)現(xiàn)了大腦學(xué)習(xí)控制BMI的容易程度。

他說：“當(dāng)我第一次來到伯克利時，我的學(xué)生和博士后看到這種塑料組織出現(xiàn)在我們一直用于BMI的所有運(yùn)動領(lǐng)域中，他們問：控制BMI的最佳領(lǐng)域是什么?這種可塑性的極限是什么?有沒有什么地方行不通的?”

他和尼利(Neely)完成了博士學(xué)位。在2017年與Carmena合作，通過嘗試訓(xùn)練視覺神經(jīng)元來測試這些限制，視覺神經(jīng)元通常會解釋眼睛的輸入但不控制任何身體動作，就像控制肌肉的運(yùn)動神經(jīng)元一樣起作用。

只需將16個電極植入12只大鼠的視皮層(V1)中。他將電極記錄的電活動(代表幾個神經(jīng)元的尖峰信號)任意路由到一個設(shè)備，該設(shè)備根據(jù)哪個神經(jīng)元處于活動狀態(tài)來提高或降低可聽音的音調(diào)。

然后，對大鼠進(jìn)行了數(shù)次訓(xùn)練以提高或降低音調(diào)，其中只有一個會獎勵給他們甜味飲料。為了獲得獎勵，所有大鼠學(xué)會了在正確的一組神經(jīng)元中產(chǎn)生尖峰活動，同時沉默其他神經(jīng)元。它們在黑暗中是成功的-研究人員認(rèn)為，這種方法可以最大程度地減少老鼠眼睛中閃耀的光線帶來的干擾-但在開燈的情況下也能表現(xiàn)出色。背側(cè)紋狀體(基底節(jié)的一部分)中的電極記錄了與視覺皮層學(xué)習(xí)一致的變化。

共同第一作者亞倫·科拉萊克(Aaron Koralek)和該論文的另一位資深作者，尚帕里莫德未知中心的神經(jīng)科學(xué)家瑞·科斯塔(Rui Costa)對小鼠進(jìn)行了類似的實(shí)驗，但也將光遺傳學(xué)開關(guān)插入了背側(cè)紋狀體的細(xì)胞中，以便可以通過關(guān)閉它們來關(guān)閉它們。激光的閃光進(jìn)入大腦。他們采用了四年前在麻省理工學(xué)院開發(fā)的一種相對較新的光遺傳學(xué)工具，稱為“頜骨”(Jaws)，以使紋狀體神經(jīng)元沉默。

“這些實(shí)驗進(jìn)一步證明，紋狀體可以幫助生物體學(xué)習(xí)控制大腦其他區(qū)域的活動模式，即使這些活動模式位于主要的感覺區(qū)域(例如視覺皮層)也是如此，”科斯塔說。在哥倫比亞大學(xué)的Mortimer B. Zuckerman思維腦行為研究所建立了實(shí)驗室。“這些發(fā)現(xiàn)表明，紋狀體對于調(diào)節(jié)生物體主動感知或感知的能力可能很重要。”

這些小鼠還學(xué)會了控制音調(diào)的頻率，但是當(dāng)關(guān)閉紋狀體細(xì)胞時卻無法控制音調(diào)的頻率。在2012年，Carmena，Costa及其同事最先表明，在大腦運(yùn)動區(qū)域，如果沒有與紋狀體細(xì)胞連接的可塑性，神經(jīng)元就無法學(xué)習(xí)虛擬任務(wù)。

“當(dāng)這些細(xì)胞失活時，動物將無法學(xué)習(xí)，這表明我們六年前在運(yùn)動區(qū)域觀察到的紋狀體似乎很普遍，就像大腦中學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)”，Carmena說過。

Carmena懷疑大腦的另一個區(qū)域也是涉及皮層和紋狀體的學(xué)習(xí)循環(huán)的一部分，以提供從紋狀體到皮層的反饋，因為存在反饋但沒有紋狀體細(xì)胞直接連接回視覺皮層。正在進(jìn)行的研究旨在找出這些過程中其他區(qū)域的位置，并闡明大腦如何能夠重新訓(xùn)練數(shù)百萬只皮層中的少數(shù)細(xì)胞以操作體外物體。

“現(xiàn)在有一些公司，例如由埃隆·馬斯克(Elon Musk)創(chuàng)立的Neuralink和 由布萊恩·約翰遜(Bryan Johnson)創(chuàng)立的Kernel ，它們正在努力為人類創(chuàng)建全皮質(zhì)界面，以用于未來的腦機(jī)直接通信。”現(xiàn)在iota Biosciences工作的Neely說，這是一家由Carmena和伯克利同事Michel Maharbiz共同創(chuàng)立的初創(chuàng)公司。“此任務(wù)的一個重要問題是確定支持學(xué)習(xí)抽象技能的支持電路，例如直接與機(jī)器進(jìn)行通信。我們的研究表明，皮質(zhì)和紋狀體是這種電路的關(guān)鍵元素。”

對于Carmena而言，皮質(zhì)的所有區(qū)域都會產(chǎn)生某種“動作”，無論該動作是要解釋(如視覺皮層中的細(xì)胞解釋眼睛的輸入)還是觸發(fā)身體反應(yīng)，就像運(yùn)動皮層中的神經(jīng)元一樣。從這個角度來看，當(dāng)前的研究支持這樣的想法，即大腦和大腦皮層之間的電路回路在整個大腦中是相同的，并且無論當(dāng)前具有什么功能，都能夠進(jìn)行相同類型的學(xué)習(xí)。

“這項研究證明了中樞神經(jīng)系統(tǒng)和大腦的靈活性，它能夠?qū)⒎浅ｋS意和抽象的事物連接到動物上-他們在生態(tài)環(huán)境中沒有做到這一點(diǎn)，例如將音調(diào)調(diào)高以獲得這是對皮層神經(jīng)元的一種獎勵。”卡梅納說。“您可以利用所有這些內(nèi)置機(jī)制來學(xué)習(xí)這些新模式，并將視覺或運(yùn)動皮層變成BMI皮層。大腦沒有說，“嘿，這是什么?” 電路正在與他們交談，他們開始工作。”

標(biāo)簽： 訓(xùn)練大腦