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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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[小红猪]改造神经元,通往更强脑力之路   

2012-11-11 01:38:51|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:小红猪小分队

译者:Cai Ying

校对:Ent

本文为小红猪抢稿20121026期小红猪抢稿

可曾希望自己能做出更好的决定吗?也许有一天这的确会成真——业已出现的一种电子植入物,植入灵长类动物脑中后,可以提升它们的短时记忆和决策能力,另外,这种植入物还可以促进患有阿尔兹海默症或者有其他脑损伤的动物更好的恢复这些认知功能。这些研究成果为治疗人类脑疾病开拓了新的思路。

位于北卡罗莱纳州的维克森林大学医学院的山姆. 戴德维勒和他的同事们已有的研究表明,神经植入物有利于小鼠运动和感觉功能的重获和修复。目前,他们正试图运用相似的植入物来刺激恒河猴中更高级的思维活动。

一般来说,在大脑正常工作时,特定的神经元通过突触接受来自相连神经元的输入信号,表现为激活状态,这就是通常所说的“放电”现象。这种神经电活动的时空模式,既神经元何时、何处神经元被激活可以被研究人员检测到并记录下来。

为了证明研究中是否真的可以“捕获”并重塑这些电活动模式,戴德维勒带领的科研团队训练了5只恒河猴来完成一项检验其注意力、短时记忆力和决策技巧的测试任务。

首先,研究者从有5000张图片的图片库里随机挑选一张图片呈现给猴子们,接着使该图片消失1到90秒钟,之后研究者将这张图片和其他图片一起呈现(最多是7张新的图片),同时让原始图片出现的位置发生变换。此时,要求猴子挑选出第一次它看到的原始图片,如果判断正确,它会得到橙汁作为奖励。

经过两年的训练,猴子们在完成较为简单的任务时,即图片消失的时间较短并且同时呈现的图片数量较少的情况下,它们正确挑选出原始图片的概率可以达到75%左右。但是对于最高难度的任务,它们的选择正确率就下降到了只有40%左右。

之后,研究者们在猴子们的前额叶皮质植入可以记录并刺激神经活动的原件(前额叶通常被认为是大脑中与智力密切相关的脑区)。更加精确的说,该原件能够记录第2/3层大颗粒细胞的电活动,而对第五层的神经元细胞则既能记录、又能刺激。(大脑皮质的细胞构筑呈分层排列,根据组织形态学特点,一般可以分为6层)。2/3层和5层之间的距离是大约1350微米,主要细胞类型和连接情况也不尽相同。

这项研究的关键在于判断出哪一种神经激活模式能够提高猴子的任务表现、又应该在何时激活这种模式才有效。为此,该团队重复记录了猴子在完成判断任务时的神经活动,并进一步分析了与正确和错误反应相关的各个大脑皮层区域的激活模式。

研究发现,大脑皮质第2/3层细胞的神经活动与动物的错误决策有关,第5层细胞则在动物做出正确判断时被激活。因此当仪器记录到预示着错误决策的2/3层细胞活动的时候,植入性电极就开始活动,激活与正确决策相关的第5层细胞。通过这种刺激调节技术,研究者们实现了改善了动物的决策能力的目的。

实验证明,植入物可以使动物的表现提高10%到20%。在较复杂的判断任务中,如原始图片和7个新的图片同时出现时,猴子们的反应速度显著提高了,正确做出判断的反应时从平均3s减少到2s。

另外,研究者还探讨了对摄入可卡因的猴子中植入物对于认知任务恢复的影响。而可卡因这种药物被很广泛地用于研究由突触连接受损导致的阿尔兹海默症、痴呆以及其他类型的脑损伤中。

植入物不工作时,困难任务中猴子的表现比正常猴子下降了大约10%;一旦植入物开始工作,它们的任务表现迅速提高,只比没有摄入可卡因或没有植入电极的猴子稍低的水平上(译者注:植入电极本身有可能导致任务执行力的下降)。

剑桥大学的丹尼尔.周并没有参与这项研究,但他表示“这是一项非常棒的研究!”,因为这种植入物可以降低猴子做出错误判断的比例,所以猴子们在更加复杂任务中的表现上也可能有进一步的提高。

伦敦帝国理工学院的西蒙.舒尔茨也认为这是一项非常有意义的工作,但是他同时指出这项研究未来的发展前景仍然不那么明朗。我们确实已经较好地了解了运动和感觉区域的定位问题,但是我们并不清楚这些皮质到底是如何工作的。这些研究人员通过记录并设法重现正确决策的皮层活动模式来开展研究,这种做法其实是避开了了这个问题。

另外,由于在这项研究中的每只猴子的正确决策的神经活动模式都是特异的,这就给研究的推广带来的挑战,有没有可能我们从一只表现非常好的猴子中提取一种普遍使用的激活模式呢?研究团队中的罗伯特.汉普森遗憾地表示,在一只猴子中诱发另一个猴子“正确决策”的神经活动模式,这些刺激却和一些干扰信号一样,不但没有提高这只猴子的反应反而降低了它本来的表现。

但是,如果要想将这种技术应用到如阿尔兹海默症等脑疾病的人类患者上,这种特异性的局限问题就必须被克服。要解决这个问题,我们就需要更好的了解各个脑区的活动具体是如何构筑了正确决策的神经模式或者是我们可以通过记录患者在脑损伤之前的健康状态下的脑去活动来实现这一目的。

这项技术的另一个问题是植入物带来的不可避免的损伤。丹尼尔.周指出,“植入会带来急性炎症并且留下疤痕”,植入还会导致电极附近区域的神经元凋亡,而这些神经远的受损又会反过来影响电极的导电性并降低电刺激的有效性。因此,周和他的同事们正在尝试研制一种生物相容性的电极来解决这一难题。

另一种解决这种问题的方法就是完全避免植入性的电极。戴德维勒 和汉普森都指出随着经颅成像和经颅刺激方法的迅速发展,这种无创性技术或许有一天可以完全实现在颅外记录并刺激脑区各种活动。

但是无论如何,由于植入电极的硬件设备的不断提高,目前美国食品与药物管理局已经批准将其用于帕金森症患者的治疗中,大家也都开始接受在人类上进行植入电极治疗的方法。戴德维勒指出,“人类的临床治疗已经指日可待了”。

这对于脑疾病患者们来说无疑是一个福音,他们最可能是第一批受益者。然而其实除了治疗目的,这项技术的运用前景还非常广泛。舒尔茨说,你可以设想一下一个电极植入你的视觉皮层,那么可能当你想象一个数字的时候,我们可以记录下与之相应的神经活动模式。接下来当这种特定的模式被植入电极识别出来时,它就有可能会刺激你去想象一个新的数字。因此从理论上来说,这种植入电极的技术可以被用于设计成一种只有你可以解开的安全密钥。

发展一种提高认知功能的元器件,而不是修复一项受损的功能,最大的困难是它更难被论证支持。但是正如舒尔茨开玩笑所说的,“当我们可以同时完善一项功能的时候,为什么我们就必须要停止修复它呢?”这确实是一个很好的观点,但是从伦理的角度意来看,制造一种假体去提高认知能力而不是尽力去修复退化或失去的能力在当下看来是不合理的。至少目前来看,我们关注的焦点还在于如何去修复由于大脑损伤而失去的功能,而且这确实也是一个很有意义方向。

题图出处:https://cs.byu.edu

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