新型脑-脑接口：实现“阿凡达”式跨鼠遥控

近日，北京脑科学与类脑科学研究中心罗实验室在《中国科学:生命科学》(英文版)上发表了一篇研究论文，提出了一种基于光记录和光刺激的新型脑-脑接口，实现了高信息传输速率的操作信息传输，充分展示了脑-脑接口的研究潜力。

人与人或动物之间的交流主要依赖于感觉系统，如视觉、听觉、嗅觉和触觉。2009年的科幻电影《阿凡达》展示了地球上的人们可以通过大脑到大脑的直接信息传输来远程控制潘多拉星球上的转基因纳维身体。

近年来的研究表明，电生理信息可以从一只动物的大脑皮层中提取出来，解码后，可以通过电刺激或经颅磁刺激技术刺激另一只动物的大脑皮层，从而提出了脑-脑界面的概念。然而，迄今为止，脑-脑界面的信息传递率很低，这是制约脑-脑界面发展的主要瓶颈。

脑-脑信息传输的主要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，而脑电记录难以准确解码，解码后的信息难以传输到正确的神经回路或特定的细胞类型，导致信息传输速率非常低。因为动物的运动包括开始、停止和亚秒级的速度变化，所以使用脑-脑界面对运动的精确控制仍处于科幻水平。

此前，的实验室在相关研究中发现，脑干中未决定神经元的活动可以预测动物的运动速度。基于这一发现，实验室的陆、、王瑞宇等研究人员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，实现了两只小鼠之间运动信息传输的高信息传输速率，从原理上验证了脑-脑接口对动物个体间运动进行精确控制的可能性。

基于光学记录和刺激的脑-脑接口实现了两种动物之间运动信息的传输(北京脑科学中心提供)

这项研究使用了光纤记录和光遗传学技术，以及能够准确预测和调节动物运动速度的神经回路。研究人员使用光纤记录系统从未计算的表达钙指示蛋白的神经元(GCaMP6m)(这种小鼠被称为“对照小鼠”)中提取运动信息，然后使用支持向量机和线性公式对神经元活动信号进行解码，然后通过光遗传学刺激将其传输到另一种小鼠的未计算的神经元(称为“化身小鼠”)。基于光学记录和刺激的脑-脑接口实现了动物的高度同步运动，信息传输速率达到4.1比特/秒，比以往同类研究高出2-3个数量级。

研究人员强调，在构建高性能的脑-脑接口时，选择合适的神经回路以及记录和刺激工具非常重要。本研究之所以能够实现高信息传输速率，首先是为了选择能够预测和控制运动速度的脑干未标定神经元来提取运动信息，其次是利用光纤记录系统来记录特定细胞类型的未标定神经元的神经元钙信号的变化。

“这可以稳定地记录具有相似功能的特定细胞类型的神经元活性；高信噪比；它相对容易操作，避免了多通道记录的技术挑战，并降低了解码神经信息的难度。”这些优势决定了研究人员最终选择了光遗传学刺激来激活“阿凡达老鼠”大脑中的特定神经元。

地址:https://doi.org/10.1007/s11427-020-1675-x