不久的将来,基于脑电图的增强现实和虚拟现实软件将在健康与保健领域大展身手,此外医生或许可以推荐一款治疗抑郁症的应用程序,或者为癫痫症患者开“音乐处方”或是ARVR的情景再现虚拟现实的眼睛,头盔甚至可以在探月火星工程上使用。
连接未来的神经技术,用电磁干预和声波改变大脑
几年前马里奥在一节西班牙报纸网站上度的一篇文章“耳机中发出的经头颅直流电刺激(tdcs)可以提高运动员的运动水平,使其跑的更快,力量更大,更好的掌握复杂的动作”。因为经颅脑直流电刺激产生的轻微的电脉冲刺激了他的大脑神经元,使它更容易放电。正如神经科学家在解释神经可塑性时说的那样,一起放电的神经元会自动地彼此相连。据马里奥学习新乐曲时,说他大脑会创造新的神经通路,神经元同步放电意味着这些道路会得到加强,造成神经的高度可属性。
在细胞层面修复大脑的工具
老年痴呆症埃尔茨海默症患者在他们的头骨中1千亿神经元中部分正经历毁灭性的变化,粘连性蛋白质片段的异常簇(β-淀粉样蛋白)正在形成斑块。这些斑块挤入神经细胞间的空间。可能已开始破坏它们与其他神经元交流的能力。在不断变化的神经内部,扭曲的涛蛋白不断积累,劫持了必需的营养素和其他的物质输送。这种潜在的过程改变了神经递质的活性,最终杀死神经元,并可以激发免疫反应引发攻击前,消灭更多神经元的炎症。他们的大脑实际上正在萎缩,从海马体——一个涉及记忆形成的区域——开始,随后扩散到其他涉及计划、判断、行为以及语言等的领域。不幸的是,这种恶化会吞噬越来越多的脑部区域。在几年之内,夺走了他们的记忆后就会夺走他们的生命。
尽管在寻找埃尔茨海默症疗法的过程中充满了失败的药物实验——自1898年以来,150多种针对该疾病所进行了的相关开发药物宣告失败,其他领域仍有希望。由于神经科学家、生物工程师、电气工程师和数学家的新进展,或许能够在细胞层面修复大脑。创新者正在创造早期检测工具,融合生物学和人工手段,以实现令人惊奇的下一代大脑细胞修复。
埃德博易春是麻省理工学院教授,他与研究生共同开发了“光遗传学”,这项技术重大发现被《自然方法》杂志评为2010年研究方法,2016年获得生命科学实验突破奖,科学界的奥斯卡,以及2018年加拿大盖索德纳国际奖。
光遗传学可以通过光纤控制大脑,现在的大多数映射或控制大脑的技术都采用“鸟枪法”,涵盖整个大脑或集中的主要区域,相比之下爱德及学生测试因激活或关闭特定的神经元,同时保证附近的神经细胞不受影响。他们向自然界寻求灵感。特别是细菌和藻类中将光转化为电能的光敏分子。他们从自然界借用了这些分子,并利用基因治疗领域的技巧(基因剪刀)将它们植入神经元。他回忆道:“第一次尝试就几乎奏效了。我们将这些基因植入脑细胞,使它们对光敏感,这使我们可以打开或关闭脑细胞。”
特定细胞的激活或失活为了研究人员提供了弄清它们如何影响行为和疾病的机会。他们可以追查在脑部疾病中起作用的特定细胞,以及哪些细胞失活可以纠正这些疾病状态。“埃德洪”这是一项真正的突破。因为当前药物疗法会影响整个大脑。许多神经技术会影响大范围神经细胞。不仅针对目标细胞,还影响了数十亿其他健康的神经元。通过确定相关的特定细胞,科学家或许能让药物或其他技术瞄准那些与脑部疾病相关的个别细胞,而不影响正常的神经元。
自2005年光遗传学问世以来,全球1000多个神经科学团体已经在使用该技术研究大脑,在记忆唤起、恢复视力、中风以及创伤性脑损伤恢复、抑制抑郁症诸方面取得突飞猛进的发展。
光遗传学成功助推了埃德为下一代脑科学开发研发强大的工具追求。其最新发明虽然体现了这一点:“膨胀显微技术”。尽管大多数科学家都把显微镜作为放大生物组织的方法,但埃德及其团体却颠覆了这一观点。他们是否放大组织样本以便于察看?为了实现这一目标,他们查阅了研究可膨胀聚合物的麻省理工物理学家田中风一的论文,在熟悉的产品——尿布(尿不湿)中发现了潮湿后膨胀的类似聚合物。因此,埃德小组尝试将脑组织嵌入以类似方式膨胀的致密聚合物基质中,发现这种方法可以使大脑组织体积扩大100倍。使分子均匀地分开。他们没有提升显微镜的功率,而是放大了生物样本。“膨胀显微镜能够让你以纳米精度进行了3D成像。本质上我们做的是绘制脑图。”他说道“一旦知道脑部疾病的病变位置,我们就可以尝试修复大脑”这是未来要做的下一步。他们采用这项技术已培训了400多个研究小组,这一数目还在不断增长。他们已获得了大量关于埃尔茨海默症、帕金森症、癫痫和胶质母细胞瘤脑癌的新发现。
修复受损的脑电波
蔡力慧是麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所所长。研究表明:埃尔茨海默症患者的加升脑电波水平往往受损。其频率与高阶认知力功能相关。他们已对经过基因编辑,发展出独特的β——淀粉样蛋白斑块和涛蛋白(缠结)积累的小鼠进行了一系列研究。2009年的一项研究中,她与埃德研究小组作用光遗传学来记录这些物质是如何改变大脑节律的。他们将光纤植入小鼠的大脑,随后以40赫兹的频率刺激并同步记录海马体中的伽马波动,揭示了一系列生化反应和基因表达的变化。小鼠神经胶质细胞是像看门人一样,可以清除大脑中碎片的免疫细胞。其形状发生了改变,并进入超速状态,有效地清除了它们小于大脑中的40%——50%的β——淀粉样蛋白。“如果你以一定的频率驱动大脑,其免疫系统就会开清除大脑中的垃圾。”
这些惊奇发现是激励研究团队寻找一种非浸入式的方法来代替光遗传学,因为光遗传学毕竟是一种侵入式的研究工具,非治疗手段。光遗传学涉及细菌藻类微生物基因,人脑不应该有这些。将其引入大脑无论概率有多少有机物都会认为它们是外来入侵者,免疫系统会攻击大脑,而又选用每秒40赫兹声纳和光设备刺激埃尔茨海默症患者设备,或看一小时电影,让患者记住回家的路。可以抵消神经损伤的人工记忆假体。
本人建议,有关致力于脑电图头盔研究科研团队应该迎头赶上,把这项脑部科研向纵深开发。因为中医学的经络穴位在人体头颅脑干中各有分布,结合中医针灸治疗取穴手法,进行医理类推,可以推算几种综合取穴(多项留针取穴)可以医治神经癫痫抑郁等疾病,很可能就是脑神经元系统的连接网络。有谁想到这综合交错针灸网络会不会就是人的大脑神经元通过网线联络功能的信息键呢。因此中医相传千年的针灸取穴点穴法大有研究。如果与大脑脑电图头盔中的微型电极连接起来,会形成一幅人的头骨颅脑层的印刷电路网络图。当我们在功能区接触头皮地方布上感应电子时,测试者每完成一个行为动作就会激发脑电图上的某几处亮点。也就是说这些肢体动作或行为动作都会与这些脑部细胞有关。当我们归纳总结到人体功能点与大脑有关,就可能推断人体神经末梢的功能反射区。这对于我们破解人工智能细节脑机接口和类人思维大有好处。