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可實現(xiàn)異體生物控制的「腦-腦接口」技術(shù)（BtBIs），如今越來越成熟了。

2020 年 3 月 20 日，北京生命科學(xué)研究所/清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院羅敏敏實驗室在中國生命科學(xué)領(lǐng)域?qū)W術(shù)水平最高的國際知名刊物 SCIENCE CHINA Life Sciences 上發(fā)表了一篇題為 An optical brain-to-brain interface supports rapid information transmission for precise locomotion control（光學(xué)腦-腦接口支持用于精確運動控制的快速信息傳輸） 的論文。

在這一論文中，研究團隊介紹了作者利用光纖記錄和光遺傳學(xué)激活技術(shù)構(gòu)建了一個光學(xué)腦-腦接口，并且在兩只小鼠間實現(xiàn)了高信息傳遞速率的運動信息傳遞，從而在原理上驗證了腦-腦接口跨個體精確控制動物運動的可能性。

光學(xué)腦-腦接口支持用于精確運動控制的快速信息傳輸

腦-腦接口這一概念，看過科幻電影《阿凡達(dá)》的人可能有點印象。在電影中，地球上的人可以通過腦對腦的直接信息傳遞，遠(yuǎn)程控制潘多拉星上經(jīng)基因改造的藍(lán)色類人生物 Na'vi 族。

通常來講，人與人之間、其他動物之間的交流依賴于視覺、聽覺、嗅覺或觸覺等，但實際上腦-腦接口也可實現(xiàn)生物大腦之間的直接信息傳遞。不過，由于當(dāng)前技術(shù)上的限制，信息傳遞的速率很低，這也是制約腦-腦接口技術(shù)發(fā)展的一個主要瓶頸。

另外，羅敏敏實驗室曾于近期發(fā)現(xiàn)，腦干未定核（NI）的一類表達(dá)神經(jīng)調(diào)節(jié)肽（Neuromedin B， NMB）的神經(jīng)元可控制運動速度、覺醒及與空間記憶相關(guān)的海馬 theta 波，相關(guān)論文于 2020 年 1 月 14 日發(fā)表在《Nature Communications》期刊。

簡單來講，表達(dá) NMB 的神經(jīng)元在 NI 中的活性可精確地預(yù)測、控制運動速度。如下圖所示，表達(dá) NMB 的神經(jīng)元在 NI 中的活性與動物運動速度、覺醒水平、及海馬 theta 波正相關(guān)。

此次，研究團隊在上述研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種光學(xué)腦-腦接口，在兩只小鼠（“Master”控制鼠和“Avatar”阿凡達(dá)鼠）間傳遞關(guān)于運動速度的信息，實現(xiàn)了以高信息傳遞速率精確、實時控制跨動物的運動。

具體過程如下：

1. 從阿凡達(dá)鼠 NI 表達(dá) NMB 的神經(jīng)元中提取了運動速度參數(shù)；

2. 使用支持向量機（SVM，即一類對數(shù)據(jù)進行二元分類的廣義線性分類器）訓(xùn)練的模型通過光學(xué)的方式實時記錄來自控制鼠 NI 的 Ca2+ （鈣離子）信號；

3. 將其轉(zhuǎn)換成阿凡達(dá)鼠 NI 的圖案化光遺傳刺激，順利地指導(dǎo)了阿凡達(dá)鼠密切模仿控制鼠的運動。

值得一提的是，這一過程的信息傳遞速率達(dá)到了 4.1 bits/s，比基于電生理學(xué)的腦-腦接口的信息傳遞速率高出了 2-3 個數(shù)量級。

【控制鼠與阿凡達(dá)鼠之間的信息傳遞速率】

此外，研究團隊還強調(diào)了在提升腦-腦接口信息傳遞速率時，選擇合適的神經(jīng)環(huán)路及記錄、刺激工具的重要性。研究團隊認(rèn)為，該實驗最終實現(xiàn)了較高的信息傳遞速率，一方面是研究人員利用了 NI 中表達(dá) NMB 的神經(jīng)元來提取運動速度參數(shù)；另一方面，研究人員選擇利用光纖記錄系統(tǒng)記錄其變化。

關(guān)于腦-腦接口

近年來，我們或多或少都聽到過一些有關(guān)「腦-機接口」的進展。2017 年，特斯拉公司 CEO、SpaceX 公司 CEO 兼 CTO、太陽城公司董事會主席埃隆·馬斯克建立了腦機接口公司 Neuralink。在該領(lǐng)域，各國的研究團隊也是頻頻刷新我們的認(rèn)知——2020 年 1 月 16 日，浙江大學(xué)更是宣布，國內(nèi)首例植入式腦-機接口臨床研究成功。

相比之下，腦-腦接口可以說還是離大眾比較遙遠(yuǎn)。

雷鋒網(wǎng)了解到，腦-腦接口由兩部分組成——從源腦的神經(jīng)活動中檢索有用信息的解碼器，和將源信息轉(zhuǎn)換成目標(biāo)腦中神經(jīng)元活動的適當(dāng)變化的編碼器。

實際上早在 2013 年，就有科學(xué)家提出，腦-腦接口可實現(xiàn)生物大腦之間的直接信息傳遞。當(dāng)時，科學(xué)家初步證明，通過以多種方式記錄從源腦中獲取的電生理信號，然后通過皮層內(nèi)電微刺激（ICMS）影響目標(biāo)腦的神經(jīng)元活動，A 動物能夠模仿 B 動物的行為，偏差率僅僅在 10% 上下浮動。由此，腦-腦接口這一令人興奮的概念便出現(xiàn)了。

此后幾年里，幾項研究通過非侵入性技術(shù)，比如腦電描記法（EEG，用腦電圖儀將腦的自發(fā)性生物電活動顯示出來并根據(jù)其特點和變化來檢查腦功能的一種方法）和經(jīng)顱磁刺激（TMS，一種無痛、無創(chuàng)的綠色治療方法，磁信號可以無衰減地透過顱骨而刺激到大腦神經(jīng)），在 2 個或 3 個人類受試者之間實現(xiàn)腦-腦接口，使得受試者能夠感受其他受試者的感知或想要移動手指的意圖。

此外，還有研究表明，利用 EEG 從人腦提取運動命令，通過電刺激或聚焦超聲，可將運動命令傳遞到蟑螂或老鼠的大腦。

然而，正如上文所述，腦-腦接口需要通過腦電多通道記錄，技術(shù)難度大，同時腦電波記錄難以精確解碼，因此信息傳遞速率低。

不過，羅敏敏實驗室的這一研究，無疑又為腦-腦接口領(lǐng)域的研究找到了新的突破口。

關(guān)于羅敏敏

看到這里，可能有人想問：羅敏敏是誰？

實際上，羅敏敏博士是一位北京生命科學(xué)研究所資深研究員。自 2005 年在北京生命科學(xué)研究所建立實驗室以來，他已經(jīng)以通訊作者或第一作者的身份，在眾多國際學(xué)術(shù)期刊（如《科學(xué)》《細(xì)胞》《神經(jīng)元》《美國科學(xué)院院刊》等）上發(fā)表學(xué)術(shù)論文 40 余篇，論文被引用次數(shù)超過 2200 次。

雷鋒網(wǎng)(公眾號：雷鋒網(wǎng))了解到，除了 2 個神經(jīng)生物學(xué)研究方向（嗅覺信號在哺乳動物腦中的編碼，和一些基本的動物行為在神經(jīng)環(huán)路水平上的生理機制）外，其實羅敏敏博士還是一位“雜學(xué)家”，本科曾學(xué)習(xí)心理學(xué)，也對人工智能、物理學(xué)等領(lǐng)域表示過興趣。羅敏敏實驗室還開發(fā)了電生理、化學(xué)方面的很多儀器。

此外，羅敏敏博士也在嘗試挑戰(zhàn)神經(jīng)生物領(lǐng)域廣泛關(guān)注但爭議頗大的 5-羥色胺。實際上，5-羥色胺即血清素，為一種抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，幾乎能影響到大腦活動的每一個方面，比如調(diào)節(jié)情緒、精力、記憶力甚至人生觀的塑造等。一些抗抑郁藥正是通過提升這種神經(jīng)遞質(zhì)在腦內(nèi)的水平而起作用的。

毫無疑問，科研的過程并非一帆風(fēng)順，但羅敏敏博士一直激勵自己：

每天早上告訴自己，今天一定會有大發(fā)現(xiàn)，當(dāng)然了，絕大多數(shù)時候都會失望地回家，但第二天醒來又滿懷希望。

也許正是這樣的樂觀精神，支撐著羅敏敏博士及其實驗室不斷取得突破。