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AI拯救记忆,增强记忆设备开展人体试验

2019-08-17 22:34

由美国国防部高级研究计划局资助的两个小组分别开展的人体测试表明,通过植入电极提供脑部刺激,模仿创建和储存记忆的脑电模式,可以提高患者的记忆力。该研究成果有望用于研制能自动增强衰退记忆力的“神经假体”,从而帮助那些脑部受伤的士兵或者因中风及其他原因而记忆力受损的人。

增强记忆设备开展人体试验 美国军队研究表明电极能弥补受损脑组织

为了老兵忘却的记忆 科学家开发电子技术治疗脑病

17101212468 黄翊杰

据《自然》网站11月3日报道,短期记忆转化为长期记忆的关键,是海马体CA3区的信号能够传递到CA1区。南加州大学生物工程师西奥多·伯格的研究小组开发了一种算法,能够让植入电极模仿CA3信号刺激CA1细胞,正确率可达80%。猴子实验证明,该方法提高记忆力效果良好。他们还在一位女性癫痫患者身上进行了测试,但目前要判断她的记忆力是否有所改善还为时尚早。未来几个月中,他们还计划进行更多的人体测试,希望最终开发出一种设备,能检测出海马体将短期记忆编码为长期记忆的功能何时失效,并提供刺激以支持这一转化过程。

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波士顿大学的神经生物学家霍华德·艾肯鲍姆提醒说,如果CA1细胞受损严重,有可能无法对刺激作出正常反应;另外,海马体非常复杂,接收的讯息很多,仅用CA3信号刺激可能还不够。

当在密闭空间中接触爆炸时,军队服役人员会遭受脑损伤和记忆丧失,即使他们未受到明显的身体损伤。图片来源:Eros Hoagland/Redux/eyevine

电极检测癫痫患者的大脑活动。图片来源:GORDON BALTUCH

【嵌牛导读】:AI植入人的大脑技术可能是电影中最令人激动的部分之一,我们一直希望可以用接口来进行记忆的传输和管理,虽然这对大部分人来说仅仅是一个可有可无的念想,但是对于向患有老年痴呆(阿尔茨海默症)的患者或者记忆受损的人,这种植入技术或许是他们的救命稻草。

而宾夕法尼亚大学神经科学家丹尼尔·里祖托的小组则采取了不同的方法。他们发现,刺激癫痫患者的内侧颞叶,有助改善受损的记忆,但如果记忆力正常,刺激却会产生反作用。该小组也开发了一种算法,能以较高的精准度预测一个人能否记住一个给定的词。当参与实验的癫痫患者在朗读那些有可能被遗忘的单词时,对他们施以脑部刺激,可将他们的记忆力提高140%。

一种旨在通过植入电极释放脑电刺激以改善记忆的策略正在进行人体试验。资助此项研究的美国军队希望,这种方法或许能帮助因脑部创伤导致长期记忆受损的数千名士兵。在日前于芝加哥举行的神经科学学会会议上,由美国国防部高级研究计划局资助的两个团队展示了此类植入设备能改善一个人留住记忆能力的证据。

去年秋天,美国国防部先进研究项目局掌管生物科技研究的高级官员Geoffrey Ling为神经科学家带来了具有挑战性的项目:开发一款可植入设备以修复老兵因外伤性脑损伤而受损的记忆。项目资金共有4000万美元,Ling说:“我们有充足的资金,有哪位勇士愿意接受挑战?”

【嵌牛鼻子】:人工智能,AI,大脑植入技术

宾夕法尼亚大学心理学家迈克尔·卡纳说,研究小组已经记录了约80人的大脑活动,并正就使用一种更精确的电极阵列寻求监管部门的批准。

通过模拟创建和储存记忆的脑电模式,研究人员发现,脑损伤引发的空白能被弥合。这些成果燃起了人们的希望:自动增强逐渐衰退记忆的“神经假体”不仅能帮助脑部受伤的士兵,还能帮助中风病人,甚至是那些通过正常衰老而丧失了一些回忆能力的人。

近日,DARPA宣布有两个学术小组愿意为此展开研究,一个小组来自加州大学洛杉矶分校,另一个小组来自宾夕法尼亚大学。两个小组都想通过电刺激的方法“点亮”与大脑记忆密切相关的区域。美国能源部下属的劳伦斯利福摩尔国家实验室以及设备制造商美敦力公司也会加入到研究中,专门负责研制比现有的神经刺激器微小10倍以上的刺激器。尽管研究的规模不小——UCLA得到了1500万美元的资金用于开展为期4年的研究,而Penn则获得了2250万美元的资金同样开展为期4年的研究,但一些人对项目的前景持怀疑态度。凯斯勒基金会神经心理学家James Sumowski说:“科学地讲,DARPA选择进行研究的时机有点早。”

【嵌牛提问】:类似大脑植入技术这种对人类身体产生改变的技术,还有那些可能带来更多的社会讨论或关注?

由于通过手术将设备植入脑中存在相关风险,两个团队正在研究已经植入电极的癫痫患者。研究人员能利用这些电极记录脑部活动,并刺激特定的神经元区域。南加州大学生物工程师Theodore Berger表示,尽管最终目标是治疗创伤性脑损伤,但这些人可能同样受益。这是因为反复癫痫会摧毁形成长期记忆所需的脑组织。

两个研究小组都以癫痫患者的神经活动为研究起点,这些患者都接受过大脑修复手术。神经科学家Michael Kahana是Penn小组的领导者,他说,对于其中一些患者,研究者必须为他们的大脑覆盖上数百个电极,并等待数周直到患者再次发病,之后才能决定从哪个大脑区域下手进行治疗。通过这种方法,研究者能够精确地绘制一张大脑活动图,了解与记忆储存和修复相关的电生理学知识。电子记录还能帮助研究者对记忆缺陷有更深刻的了解,许多癫痫患者都饱受记忆缺陷之苦。

【嵌牛正文】:

研究认为,当一部分名为海马的大脑累积感官信息以及对空间和时间的感知,并且使其在短时间内随时可获取时,短期记忆便创建起来。而在此期间获取的记忆将固化成长期记忆。这一过程的关键是一种从被称为CA3的海马部分穿行至被称为CA1的另一部分海马的信号。Berger和同事假定,重新创建该信号或许能恢复海马受损患者巩固记忆的能力。

Kahana希望通过研究正常大脑和受损大脑的电子生物标记的检索和储存方式,建立电脑模型。一旦患者的记忆出现紊乱,电脑模型便能够迅速侦测并立刻给予修复。Kahana的团队已经侦测到了与记忆编码和储存相关的大脑活动信号模式,他们马上还将发布第一份与修复记忆相关的大脑信号。他说:“早期的研究结果令人非常振奋。”

“对于活着的人来说,悲剧难以承受。”这是比尔·盖茨近期对阿尔茨海默症(即老年痴呆症)的总结。他之前宣布斥资1亿美元支持对该病症的研究。

在此次芝加哥会议上展示的一项研究中,研究人员让12名癫痫患者观看图片,然后在90秒后回忆他们曾见过哪些。当参与者做此事时,研究人员记录下CA3和CA1的放电模式。随后,他们开发出一种可利用CA1细胞活动预测CA3放电模式的算法。同实际模型相比较,他们的预测准确率在80%左右。

UCLA团队由神经外科医生Itzhak Fried领导,他们将用不同的方法开发记忆生成模型。Fried早期的工作是治疗癫痫症患者,他发现对患者大脑内嗅皮层给予电刺激能够提高其玩电脑游戏的水平。在游戏中他们扮演出租车司机,需要迅速学习并记忆在虚拟城市中把车停在哪些位置让乘客下车。现在,Fried将把这份研究获得的数据应用于设计如何刺激外伤性脑损伤患者的内嗅皮层和海马体(另一块对记忆起到关键作用的区域),并让两块区域协同工作,帮助患者将日常生活经验转化成为长期记忆。

在好莱坞鬼才导演诺兰的电影《记忆碎片》(Memento)中,男主角莱昂纳多·谢尔比也是悲剧的承受者。因为脑部受重创得了一种奇怪的“短期记忆丧失症”,他再也不能形成长期记忆,只能记住十分钟前发生的事情。

Berger介绍说,通过该算法,研究人员应当能模拟CA3正确信号的模式来刺激CA1细胞,即便一个人的CA3细胞受损。此前在猴子身上开展的研究中,他的团队发现,刺激拥有恰当模式的CA1显著改善了猴子的表现。这些动物被训练执行图片回忆任务,当回忆正确时,便能收到果汁奖励。

如果这些尝试获得成功,研究者最终将有望开展第一期临床实验,为外伤性脑损伤患者植入大脑深层电刺激设备。但Sumowski指出,研究者可以将癫痫症作为一个范本来推进研究,但如果过度依赖这一模式将会为研究带来问题。外伤性脑损伤患者并不总是与精神失调患者的表现相一致,癫痫患者的大脑萎缩区域及脑电活动失调模式与前者是完全不同的精神失调情况。

“科技控”诺兰的电影叙事很科学——谢尔比发病的原因是大脑中的海马体遭到了严重损伤。海马体是与人类的记忆关系最密切的脑组织,负责将短期记忆转化成长期记忆。海马体受损通常会造成人们难以组织新的记忆,以及难以搜索过去的记忆。

该团队成员、USC生物工程师Dong Song表示,该团队已在一名女性癫痫患者身上尝试过这种刺激方法,但要想知道这是否改善了她的记忆还为时过早。他介绍说,接下来几个月,研究人员计划将其应用到更多患者身上。最终,一种设备可能被开发出来——能探测到海马何时无法将短期记忆有效编码成长期记忆并提供支持这一过程的刺激。

麻省理工学院神经科学家Roger Redondo认为,项目能否成功还极大依赖于患者的大脑受到了什么样的损伤。如果记忆还在,只是很难接通或检索,那么电刺激是有效的办法。但如果记忆的连接从未建立或者已经彻底损坏,那么植入装置起不了任何作用。

不过,失忆的谢尔比乃至众多阿尔茨海默症患者的命运,可能很快被人工智能(AI)植入技术与“脑机接口”改写。

在波士顿大学神经生物学家Howard Eichenbaum看来,记忆形成代码能被如此准确地预测出来实在令人惊奇。不过,他提醒说,如果CA1细胞受损非常严重,以至于它们无法对刺激作出正确的回应,这种模拟便会很困难。同时,Eichenbaum认为,由于海马很复杂,并且从大脑中很多连接处接收输入信号,仅靠CA3信号刺激海马可能还不够。

Redondo认为,很难确定哪些细胞与记忆相关,而要利用电刺激进行精确调试以帮助修复受损记忆更是难上加难。Redondo说:“人类大脑和海马体的结构非常复杂,微电极电压的些许改变,即使受影响的区域极小,也将造成数倍的神经元失控。”

从控制肢体到提高记忆

日本理化研究所脑科学研究所神经学家Thomas McHugh表示,他追踪上述研究团队的工作已有数年,并且一直对这种方法在动物模型中表现如何感到惊奇。“数据很有说服力,但在理解上仍存在困惑。”大脑的很多部分是以很明显的方式被组织起来的:比如,在运动皮层,刺激某个位置会引发身体特定部分的运动。不过,在海马中并未有如此明显的组织,因此为何刺激特定位置能带来可预测的结果尚不明确。

不过,研究者针对精神失调症状如帕金森氏症和强迫性精神障碍进行了研究,其结果令Kahana备受鼓舞。研究表明,电刺激能够有效治疗这些疾病,即便研究者还未充分理解电刺激如何在细胞层次改变大脑回路。癫痫患者记忆的生物标记将作为一座灯塔指引受损的大脑重新恢复正常。

在上月中旬举行的美国神经系统科学学会(SfN)年会上,南加利福尼亚大学(下称“南加大”)生物医药工程副教授宋东首次公开了他的团队最新的科研成果:他们发现,通过在20名患有癫痫的病人脑中植入脑电极设备,就能将他们的记忆有效提升15%至25%。

宾夕法尼亚大学的一个团队正在采用不同的方法增强记忆。该团队利用了取决于诸如消耗了多少咖啡因或是否处于压力中等变量,人们的记忆技能会随着时间波动的事实。他们也通过在癫痫患者身上进行研究发现,刺激一个被称为内侧颞叶的区域,能改善功能不佳的记忆。海马即位于内侧颞叶。不过,当记忆正常运转时,这种刺激会妨碍它。

DARPA所属的修复主动记忆项目负责人Justin Sanchez说,RAM面临的挑战非常大。RAM是由美国政府斥资1.1亿美元设立的使用先进革新型神经技术的人脑研究计划的一部分。美国现在有27万从伊拉克和阿富汗战场归来的士兵被诊断为患有外伤性脑损伤,迫切需要一场科学进步和技术革新帮助他们渡过难关。Sanchez说:“相对于现有的治疗技术,我们的研究是一种开创性的新方法。”

此外,通过对比这些患者的大脑活动和情绪变化的细节,南加大的研究人员还展示了人类首张“情绪地图”,揭示了情绪是如何随着时间推移在大脑中编码的。

在他们于芝加哥会议上展示的一项研究中,Penn神经科学家Daniel Rizzuto和同事在28个人回忆一连串单词时记录了他们的大脑活动。利用这些模式,研究人员开发出一种能高精度预测一个人是否记住某个给定单词的算法。通过只在一个人阅读有可能被忘记的单词时刺激大脑,研究人员能将其表现提高140%。

《中国科学报》 (2014-07-30 第3版 国际)

“这是一项开创性的工作。”宋东告诉 第一财经 记者,“目前我们还没有正式发布实验的报告,我们正在撰写神经编码,来提升记忆的功能。”

Penn心理学家Michael Kahana介绍说,该团队记录了总共约80人的大脑活动,并且正在寻求使用更加精确的电极阵列的监管审批。

不仅如此,在美国华盛顿举行的这次年会上,来自不同研究机构的科学家们利用大脑植入设备检测情绪障碍引起的异常状态,并通过AI算法释放电脉冲回击大脑,使大脑在没有医生介入的情况下恢复到健康状态。目前这些研究已完成了初步的人体试验。

McHugh认为,尽管从基础科学的角度来说发现为何此类刺激的表现如此好会有用处,但即使它不能被完全理解,或许也值得开发基于此的治疗方法,只要它被证实是安全有效的。

宋东向第一财经记者解释道:“对于阿尔茨海默症或癫痫患者来说,在疾病刚开始的时候,通过在他们的大脑中植入设备,能够帮助形成新的记忆。但是对于阿尔茨海默症患者过去的记忆,并没有太大帮助。”

《中国科学报》 (2015-11-10 第3版 国际)

尽管如此,宋东的实验还是证明了这一技术具有修复患者长期记忆的潜在能力。“这种记忆修复术的目标是修复大脑的海马体功能,海马体主要负责长时记忆的存储转换和定向等功能。”宋东对第一财经记者表示。

海马体能将短时记忆进行巩固,从而转换成长时记忆。海马体在事件发生的环境背景及细节内容的记忆中也起着非常重要的作用。对新近发生的事件,包括很多细节,一般都由海马体来完成。海马体不健全的人,可能无法记住曾经去过的地方以及如何前往想去的地点。

但研究人员倾向于认为,随着时间的推移,记忆细节会随之减少,海马体这时的作用也越来越小。

宋东表示:“失去的记忆将无法重新获得的原因是,长期记忆虽然是通过海马体形成的,但不是存储在海马体内。”

早在上世纪50年代,科学家就已经注意到大脑海马体与记忆间的关系——如果切除掉海马体,那么以前的记忆就会一同消失。不过,关于“海马体的神经细胞是如何把信息固定下来的”问题一直没能解决。

此外,对于大脑海马体运转机制的研究,也早在十几年前就已经开始了。纽约大学研究人员很早就开始利用电极来监控学习中的猴子大脑神经活动的情形。而哈佛大学研究人员则研发出了“动态估计算法系统”(dynamic estimation algorithms),帮助分析记录猴子的行为与神经信息。实验发现,海马体内的神经元,与新的联想记忆形成有关。

事实上,电极植入在医疗上已经对帕金森等运动障碍疾病有了较为成熟的治疗方案。2016年,荷兰乌特勒支大学医学院的神经科学家尼克·拉姆塞(Nick Ramsay)完成了全球首例临床大脑植入手术,实现对ALS患者(渐冻人)思想的解读,使他们能与外界沟通。

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目前全球有很多医院已经能够进行电极植入手术,这就好像在人脑中安装一个“起搏器”,原理和心脏起搏器一样,通过深部脑刺激来改变脑部的神经活动,进而影响患者的肢体行动。

但此前,这种刺激脑的方式用于情绪障碍的治疗时,收效甚微。宋东团队的突破在于解决了提高患者记忆力的问题。提高记忆力对于紧张备考的学生或者是对于记人名有困难的人来说,可以助他们一臂之力;但对于受痴呆症和阿尔茨海默症折磨的患者来说,绝对是改变生命的技术。

影响超过1亿人的命运

在今年11月,比尔·盖茨以个人名义宣布注资5000万美元,与风投基金Dementia Discovery Fund(痴呆症发现基金)一起寻求脑萎缩疾病的治疗方法。另外,他还将投资5000万美元于研究阿尔茨海默症的初创企业。

盖茨表示:“随着阿尔茨海默症和其它痴呆症患者数量的快速增长,以及人类寿命的延长,这类疾病正在给患者及其家属带来情感和经济上的负担。这是一个日益严峻的问题。”

虽然已有几十年的相关科学研究,但是目前医学界仍然没有可以延缓阿尔茨海默症进程的治疗方法。目前的药物治疗只能缓解一些症状。此前包括礼来在内的制药巨头的临床试验,都在最后阶段宣告失败。

根据非营利机构阿尔茨海默症国际组织(Alzheimer’s Disease International)的数据,老年痴呆症在全球范围内影响了近5000万,预计到2050年将会影响超过1.3亿。

美国阿尔茨海默协会表示,年龄增长是导致阿尔茨海默症的最直接的因素,该疾病的患者大多是年龄65岁以上的老人。随着人口老龄化趋势加剧,到2020年,发达国家超过五分之一的人口年龄将超过65岁。

“脑机接口”成资本风口

对于宋东团队的研究,美国冷泉港实验室神经科学主席安东尼·扎得(Anthony Zador)有所保留。他对第一财经记者表示:“因为该实验结果尚未发表在权威科学杂志上,因此我对实验的方法还是存有怀疑。等我看到实验的数据后,可能会改变目前的怀疑态度。”

尽管宋东团队的最新研究结果有待更加有说服力的数据来验证,但是如果在大脑植入电极真的能够帮助脑疾病患者提高记忆力,哪怕是一小部分的记忆,这对于整个社会而言,都创造了非常巨大的经济效益。

也正是因为解决人脑疾病所带来的巨大社会财富,近年来资本不断涌入人工智能和神经科学方面的初创公司。所谓的“脑机接口”名副其实地成为了资本的“风口”,这其中就不乏“钢铁侠”马斯克(Elon Musk)投资的“神经织网”公司Neuralink。他们希望投资研发出能够读取人脑活动和将“神经信息”写入大脑的设备,以此来对抗未来人工智能对人类潜在的侵袭。

但是对于这种人脑侵入式技术,目前的手术成本仍然很高,而更大的障碍来自于人体对于植入物的排异反应。

尽管如此,一位曾在美国某医院观看过在帕金森患者的大脑中植入电极全过程的上海某高校脑科学研究人员对第一财经记者表示:“与整容相比,开颅手术人性化多了。美国的患者排着队要做这种手术,医院都做不过来。”

目前,雅培、美敦力等医疗企业是这种大脑植入器械的主要供应商。

未来如果能解决人体排异反应及颅骨向外传输信息减损这两大问题,那么电脑将会对人的思维意识进行更为准确的识别。这一方面将有助于电脑更加了解人类大脑活动特征,指导电脑更好地模仿人脑;另一方面也能让电脑更好地与人协同工作。

当然,脑机接口的技术在为记忆障碍人士带来福音的同时,也引发了伦理道德的争议。反对人士认为,如果能够通过增强人类感官功能、提升记忆力等手段来控制人们的情绪和行为,那么产生的社会问题也将难以估量。

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