搭建未来的“脑联网”
——“脑对脑接口”让远隔千里的小鼠做出同样选择
2013年03月26日来源：科技日报 作者：常丽君 综合外电
最近，来自美国、巴西和中国的科学家首次在小鼠身上实验了一种“脑对脑接口”（BTBI），用微电极阵列将两只小鼠的大脑接通，让它们直接交流以解决简单的行为难题。通过多组精心设计的实验，研究人员发现感觉运动信息不仅能脑间共享，还能远程传输，两只小鼠即使远隔几千英里，也能做出同样选择。
研究人员指出，实验证明了“脑对脑接口”能在一对脑或多脑网络之间实现信息交流、处理和存储，由此可作为研究新型社会互动、生物计算设备的基础。相关论文发表在2月28日的《科学报告》杂志上。
从“脑—机接口”到“脑对脑接口”
“我们以往研究脑—机接口，在实验中我们发现小鼠大脑比以往认为的更有可塑性。它们的大脑能轻松地适应和接受来自体外设备的输入，并学习着处理那些人工传感器产生的看不见的红外光。”论文领导作者、杜克大学医学院神经生物学教授米格尔·尼科莱利斯说，“所以，这次我们的问题是‘如果大脑能理解来自人工传感器的信号，那它是否也能理解另一个身体发出的感觉信息？’”
为了检验这一假设，研究人员先训练小鼠们完成简单的选择题：根据指示灯按下正确的杠杆。左右两个杠杆上方都有指示灯，哪个灯亮就按下哪个，如果选对了，就给它一口水喝作为奖励。
下一步，他们用微电极阵列植入小鼠脑部处理运动信息的皮层区，并把两只小鼠的电极连接起来。其中一只作为编码器，另一只作为解码器。“编码鼠”负责接受视觉信息，即根据指示灯决定该按哪个杠杆，按对了才能得到奖励。当它按下了正确的杠杆后，它的大脑会为这次行为决策编码，将其转化为电流刺激模式，直接发送到它的搭档——“解码鼠”的脑中。
“编码鼠”和“解码鼠”的合作
两只小鼠分别关在不同的“小房间”里。对于该按哪个杠杆，“解码鼠”并未看到任何指示线索，因此，要想按下正确的杠杆得到奖励，它只能依靠“编码鼠”发出的信息，而这些信息是经由脑对脑接口传入“解码鼠”脑中的。
当“编码鼠”执行二选一任务时，它的脑活动以一种皮层内微电流刺激（ICMS）的方式，传递到“解码鼠”脑中相符的皮层区，解码鼠则会按下相同的杠杆。研究人员检验了“解码鼠”的破译成功率，即根据“编码鼠”脑电输入按下正确杠杆的成功率。结果发现最大成功率达到了70%，只比理论值略低一点，理论计算的最大成功率为78%。
尼科莱利斯还指出，这种脑对脑接口（BTBIs）允许双向交流，这一点很重要。如果“解码鼠”选错了杠杆，编码鼠将不能得到全部奖励。由此导致了这对小鼠之间建立起一种“行为合作”关系。
“我们看到，当‘解码鼠’犯错时，‘编码鼠’几乎也会同时改变它的脑功能和行为，使之更简单，以便让它的搭档做出正确选择。编码鼠会改良代表决策的脑活动的信噪比，使信号更清晰而易于探测。” 尼科莱利斯说，“它会做出更快、更清晰的决策，选择正确的杠杆按下去。当‘编码鼠’调整后，无一例外地‘解码鼠’做出正确选择的概率也会变高。这样一来，它们两个都会得到更多奖励。”
第二组实验是用胡须辨别洞口的宽窄：如果洞口狭窄，小鼠要用鼻子碰一下房间左侧的水口，就能得到奖励；如果洞口较宽，则碰右侧的水口能得到奖励。然后，研究人员训练“解码鼠”把“刺激脉冲”和“左边水口”联系在一起，即有脑电脉冲时，选左边的水口能得到奖励；没有脉冲时，选右边水口能得到奖励。
在实验中，当编码鼠探测到洞口为“宽”时，把它的选择传给解码鼠，由此解码鼠选择正确的概率为65%，明显高于随机选择。
“千里之外”和“群体之间”的默契
为了测试脑对脑通讯能达到多远，研究人员还将一只“编码鼠”带到了巴西，放在纳塔尔的埃德蒙与莉莉·萨弗瑞国际神经科学研究所（ELS-IINN），通过互联网把它的脑信号传给远在美国北卡罗来纳州杜克大学的“解码鼠”。这两只小鼠仍能共同合作，完成这项触觉辨别任务。
“两只小鼠不在同一个大陆时，会产生噪音传输和信号延迟。即使这样，它们仍能保持沟通交流。”论文第一作者、博士后米格尔·派斯-维埃拉说，“这告诉我们，造出一个由身处不同位置的动物的大脑构成、行之有效的脑网络是可能的。”
尼科莱利斯补充说：“这些实验证明，我们能在鼠脑之间建立起复杂的直接通讯连接，即由‘一个中心、两个大脑’组成的神经系统。‘解码鼠’的大脑就像一种‘模式识别’设备。从本质上说，我们是在创建一种会解决问题的‘有机计算机’。但是在此，输入的不是指令，而是代表‘编码鼠’决策的脑电信号，‘解码鼠’则凭借这一信号来解决问题。”
理论上这一系统不受大脑数量的限制，也可以是多个大脑组成的网络，或称“脑网”。尼科莱利斯说，他们正在和ELS-IINN的研究人员一起实验，将更多小鼠大脑连在一起，形成一种“有机计算机”，让一群动物共享运动和感觉信息，让它们共同合作，完成更复杂的行为任务。
研究人员指出，“脑对脑接口”能在一对脑或多脑网络之间实现信息交流、处理和存储。以此为基础，还可以进一步研究新型社会互动、生物计算设备等。
尼科莱利斯说：“当多个鼠脑连在一起互相作用时，我们无法预测会出现什么新情况。理论上，多脑结合可能提供单个大脑想不出的解决方案。”此外，这种连接还意味着一只小鼠能把其他鼠的“自我”感觉和自己的“自我”合并在一起。“根据我们对‘解码鼠’感知皮层的分析，发现它们的触觉皮层区不仅能表征自己的胡须，还能表征‘编码鼠’的胡须。它的皮质神经元能对两套胡须传来的触觉信息起反应，这表明小鼠对它自体之外的另一个身体产生了另一套表征。”进一步研究这种调适性，还可能带来一个全新的领域——社会互动神经生理学。
