洛杉磯南加州大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程師和神經(jīng)學(xué)家西奧多·伯杰認(rèn)為，他已經(jīng)破譯了大腦形成長(zhǎng)期記憶的代碼。他設(shè)想，在不遠(yuǎn)的將來，嚴(yán)重失憶的病人可以通過在大腦中植入這樣的芯片，使病人恢復(fù)長(zhǎng)期記憶的能力。

洛杉磯南加州大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程師和神經(jīng)學(xué)家西奧多·伯杰。

一位標(biāo)新立異的神經(jīng)學(xué)家認(rèn)為，他已經(jīng)破譯了大腦形成長(zhǎng)期記憶的代碼。

西奧多·伯杰是洛杉磯南加州大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程師和神經(jīng)學(xué)家。他設(shè)想，在不遠(yuǎn)的將來，嚴(yán)重失憶的病人可以通過植入電子芯片得到幫助。當(dāng)人們的大腦因?yàn)榘柎暮Ｄ习Y、中風(fēng)或受傷而受到損害，被擾亂的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)往往阻止長(zhǎng)期記憶的形成。在過去的二十多年里，伯杰一直在設(shè)計(jì)硅芯片，來模擬正常工作的神經(jīng)元之間的信號(hào)傳遞。它能使我們回憶起一分多鐘的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。伯杰希望，最終可以通過在大腦中植入這樣的芯片，使病人恢復(fù)長(zhǎng)期記憶的能力。

伯杰說，這個(gè)想法是如此膽大包天，以至于很多不在神經(jīng)科學(xué)主流領(lǐng)域的同事都把他看作瘋子。“很久以前，他們就說我是瘋子。”不過，鑒于最近他的研究小組以及幾個(gè)親密的合作者進(jìn)行了成功的實(shí)驗(yàn)，伯杰正在擺脫“瘋子”的標(biāo)簽，并且逐漸被當(dāng)作一個(gè)有遠(yuǎn)見的先驅(qū)。

伯杰和他的研究伙伴尚未進(jìn)行人體試驗(yàn)，但他們的實(shí)驗(yàn)表明，通過外部電極連接到鼠腦和猴腦的硅芯片能像真正的神經(jīng)元那樣處理信息。“我們不是在向大腦輸入個(gè)人化的記憶。我們是在重建產(chǎn)生記憶的能力。”去年秋天，他們發(fā)布了一個(gè)令人印象深刻的實(shí)驗(yàn)。伯杰和他的同事證明，他們還可以幫助猴子從大腦的長(zhǎng)期記憶儲(chǔ)存區(qū)檢索那些記憶。

如果“記憶植入”聽起來有點(diǎn)不可信，那么伯杰會(huì)以神經(jīng)假體方面的一些最新進(jìn)展作為例子?，F(xiàn)在，通過植入人工耳蝸，有超過20萬聾人可以將聲音轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并將它們發(fā)送到聽覺神經(jīng)。同時(shí)，早期的實(shí)驗(yàn)表明，植入電極也可以讓癱瘓的人能按自己的意志移動(dòng)假肢。另外，在將人工視網(wǎng)膜應(yīng)用于盲人方面，研究人員也已取得了初步的成功。

盡管如此，要恢復(fù)大腦中的認(rèn)知，其難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以上任何成就。在過去的35 年里，伯杰一直試圖從根本上了解海馬區(qū)神經(jīng)元的行為方式，因?yàn)檫@一區(qū)域被認(rèn)為是形成記憶的區(qū)域。“這是非常清楚的。”他說，“海馬區(qū)使短期記憶變成長(zhǎng)期記憶。”

海馬區(qū)如何完成這個(gè)復(fù)雜的壯舉?伯杰開發(fā)了數(shù)學(xué)定理，用來描述電信號(hào)如何在海馬區(qū)的神經(jīng)元之間傳遞而形成長(zhǎng)期記憶。他已經(jīng)證明了他的方程式與現(xiàn)實(shí)相符。“你不需要做大腦做的所有事情，但你至少可以模仿大腦做的某些事情吧?”他問，“你能不能模擬它，并把它放入一個(gè)設(shè)備?你能不能將這個(gè)設(shè)備植入到任何大腦中?就是這三個(gè)問題，導(dǎo)致人們認(rèn)為我瘋了。其實(shí)是他們認(rèn)為這很難實(shí)現(xiàn)。”

在不遠(yuǎn)的將來，嚴(yán)重失憶的病人可以通過植入電子芯片得到幫助。

記憶代碼的破譯

何為記憶?伯杰的定義是：“這是特定數(shù)量的神經(jīng)元在一段時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的一系列的電脈沖。”他說，“這一點(diǎn)很重要，這意味著你不僅可以從生物學(xué)的角度來理解它，你也有辦法處理它。你可以把一個(gè)電極放在那里，然后你可以記錄下所謂‘記憶’的表現(xiàn)。你可以發(fā)現(xiàn)2147 個(gè)神經(jīng)元是這段記憶的一部分。它們是怎么連接的?它們產(chǎn)生了一系列脈沖。這不是奇怪的事情，而是一些你應(yīng)付得來的事情。這是非常有用的，告訴你究竟發(fā)生了什么。”

這是對(duì)于記憶的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，但它只停留在表面。伯杰和他的同事在探索大腦這個(gè)神秘層面的時(shí)候，試圖研究得更深入些。神經(jīng)科學(xué)家通過監(jiān)測(cè)神經(jīng)元表面的動(dòng)作電位和微伏變化，來跟蹤大腦中電波信號(hào)的傳播。伯杰說，他們的報(bào)告和實(shí)際發(fā)生的相比，往往過于簡(jiǎn)單化。“他們發(fā)現(xiàn)環(huán)境中的一個(gè)重要事件，然后對(duì)動(dòng)作電位進(jìn)行計(jì)數(shù)。他們往往會(huì)說，‘在我做了某件事情之后，數(shù)量從1 升到了200。

我發(fā)現(xiàn)了一些有趣的事情。’‘你找到了什么?’‘‘動(dòng)作電位上升了。’但是你有什么發(fā)現(xiàn)?‘動(dòng)作電位上升了。’那又怎么樣呢?它是在編碼嗎?它傳遞的是下一個(gè)神經(jīng)元所需要的東西嗎?它使下一個(gè)神經(jīng)元做什么不同的事情嗎?這才是我們應(yīng)該做的：解釋事物，而不僅僅是描述所看到的事情。”

在哈佛的研究生院，伯杰的導(dǎo)師理查德·湯普森專注于研究信息定位和因?qū)W習(xí)所引發(fā)的大腦變化。湯普森使用色調(diào)和一股氣流使兔子眨眼睛，希望可以找到他所誘導(dǎo)的記憶儲(chǔ)存在大腦的什么位置。這個(gè)想法是為了找到大腦中用于學(xué)習(xí)的特定區(qū)域。伯杰說：“如果動(dòng)物的確學(xué)習(xí)了，然后你又將它移除了，那么它就不會(huì)記得了。”

湯普森在伯杰的幫助下才做到這一點(diǎn)，他們?cè)?976 年公布了研究結(jié)果。為了找到兔子大腦中的那個(gè)區(qū)域，他們給小動(dòng)物的大腦安裝了電極，這樣就可以監(jiān)控一個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)。神經(jīng)元的外膜有控制物質(zhì)出入的閥，可以讓帶電粒子進(jìn)出，比如鈉和鉀。湯普森和伯杰記錄下了兔子進(jìn)行記憶時(shí)，海馬區(qū)神經(jīng)元的尖端電脈沖。

電脈沖的峰值幅度(代表動(dòng)作電位)和它們的間隔分布，都形成了一定的規(guī)律。伯杰認(rèn)為，這個(gè)相對(duì)于時(shí)間的細(xì)胞反應(yīng)規(guī)律應(yīng)該不是偶然發(fā)生的。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)奠定了他目前工作的基礎(chǔ)：當(dāng)細(xì)胞接收和發(fā)送電信號(hào)時(shí)，輸入和輸出的數(shù)量關(guān)系有什么樣的特定規(guī)律?也就是說，當(dāng)一個(gè)神經(jīng)元在一個(gè)特定的時(shí)間和地點(diǎn)發(fā)送電波信號(hào)，那么它鄰近的神經(jīng)元究竟會(huì)做出的什么樣的響應(yīng)?這個(gè)答案可以揭開神經(jīng)元形成長(zhǎng)期記憶的原理。

但很快，伯杰就發(fā)現(xiàn)這個(gè)答案是極其復(fù)雜的。在20世紀(jì)80年代后期，伯杰在匹茲堡大學(xué)和羅伯特·斯卡拉巴斯一起工作。他們被海馬區(qū)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種屬性深深吸引，他們用電脈沖(輸入)刺激兔子的海馬區(qū)，然后將不同數(shù)量的神經(jīng)元集合之間的信號(hào)傳遞(輸出)路徑繪制下來，結(jié)果他們觀察到這兩者之間不是線性關(guān)系。“比方說，你輸入1，得到2。”伯杰說，“那就很簡(jiǎn)單，這是一個(gè)線性關(guān)系。不過，我們發(fā)現(xiàn)，在大腦中基本沒有可能可以監(jiān)測(cè)到線性活動(dòng)，或者線性求和。它總是非線性的。”信號(hào)之間會(huì)重疊，其中有一些神經(jīng)元是抑制輸入的脈沖信號(hào)的，而另一些則是加劇了信號(hào)傳輸。

到20 世紀(jì)90 年代初，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，他的研究開始進(jìn)入一個(gè)高級(jí)階段。他可以和南加州大學(xué)工程學(xué)院的同事用電腦芯片來模擬部分海馬區(qū)的信號(hào)處理系統(tǒng)。“情況開始變得明朗，如果我能讓這個(gè)東西在大量硬件中運(yùn)轉(zhuǎn)，那么我已經(jīng)成功復(fù)制了大腦的某些部分。那為什么不把它植入大腦呢?所以，在其他人遠(yuǎn)還沒有想到的時(shí)候，我就開始思考神經(jīng)假體的問題。”

在過去的二十多年里，伯杰一直在設(shè)計(jì)硅芯片，來模擬正常工作的神經(jīng)元之間的信號(hào)傳遞。它能使我們回憶起一分多鐘的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。伯杰希望，最終可以通過在大腦中植入這樣的芯片，使病人恢復(fù)長(zhǎng)期記憶的能力。

可以植入大腦的假體

后來，伯杰開始和南加州大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師瓦西里斯·馬邁萊力斯一起工作，制造大腦假體。他們最初研究的是鼠腦海馬區(qū)的切片。神經(jīng)元信號(hào)是從海馬區(qū)的一端傳遞到另一端，所以研究人員隨機(jī)地將脈沖輸入海馬區(qū)，然后記錄下不同位置的信號(hào)來看它們是如何轉(zhuǎn)化的。之后，他們用數(shù)學(xué)方程式來描述轉(zhuǎn)化過程，將這些方程式應(yīng)用于計(jì)算機(jī)芯片。

接下來，為了測(cè)試這樣的芯片是否可以作為假體用于受損的海馬區(qū)域，研究人員研究了它們是否可以繞過大腦切片路徑中的核心組成部分。植入這個(gè)區(qū)域的電極將電脈沖傳遞到一個(gè)外部芯片，在那里完成通常在海馬區(qū)完成的信號(hào)轉(zhuǎn)換。其他電極將信號(hào)傳輸回大腦切片。

然后，研究人員進(jìn)行了飛躍性的嘗試，將電腦芯片植入老鼠活體內(nèi)，結(jié)果顯示它的確可以作為海馬區(qū)的人工組成部分而運(yùn)轉(zhuǎn)。他們開始訓(xùn)練動(dòng)物進(jìn)行兩種壓力測(cè)試，動(dòng)物選擇對(duì)了就可以美餐一頓，接著記錄下它們海馬區(qū)的一系列脈沖變化。通過這些數(shù)據(jù)，伯杰和他的團(tuán)隊(duì)給信號(hào)轉(zhuǎn)化的過程建立模型，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為這個(gè)測(cè)試被儲(chǔ)存成了長(zhǎng)期記憶。然后，他們提取代表這個(gè)記憶本身的代碼。通過記錄老鼠學(xué)習(xí)這項(xiàng)任務(wù)時(shí)大腦中的信號(hào)變化，他們證明了他們的設(shè)備可以從輸入的信號(hào)中生成長(zhǎng)期記憶的代碼。然后，他們給老鼠喂食一種可以打亂它們長(zhǎng)期記憶能力的藥物，讓它們忘記哪種測(cè)試可以帶來美餐。接著，研究人員給吃了藥的老鼠大腦輸入一定的脈沖信號(hào)，這些老鼠又可以對(duì)測(cè)試作出正確的選擇。

去年，科學(xué)家們發(fā)表了靈長(zhǎng)類動(dòng)物大腦額葉皮層的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。額葉皮層具有檢索功能，可以檢索海馬區(qū)生成的長(zhǎng)期記憶。他們將電極植入猴子大腦，來捕捉前額皮層的信號(hào)。他們認(rèn)為這個(gè)部位能夠使小動(dòng)物記住之前看到過的圖像。然后，他們給猴子喂食了可卡因，使大腦生成圖像的部位受到損害。再將電子芯片植入猴子大腦的前額皮層，給予正確的脈沖刺激，研究人員發(fā)現(xiàn)這可以顯著地提升它們對(duì)圖像的記憶功能。

伯杰和他的同事們希望，在未來兩年內(nèi)，可以在動(dòng)物體內(nèi)植入真正的記憶假體。他們也想證明，他們研究的海馬區(qū)芯片可以在很多不同的行為情境里幫助形成長(zhǎng)期記憶。“我們的目標(biāo)是幫助嚴(yán)重失憶的人提升他們的生活品質(zhì)。如果我可以幫助他們恢復(fù)一半長(zhǎng)期記憶的能力，我肯定會(huì)高興壞了，病人們肯定也會(huì)很高興。”

伯杰還在和南加州大學(xué)的臨床醫(yī)生一起合作，后者正在嘗試將電極植入海馬區(qū)的兩翼來監(jiān)測(cè)并且預(yù)防嚴(yán)重癲癇患者的癲癇發(fā)作。如果這個(gè)項(xiàng)目可以如設(shè)想那樣向前推進(jìn)，那么伯杰的研究小組將搭載在這個(gè)試驗(yàn)中去尋找這些病人的大腦記憶代碼。“我從來沒有想過我會(huì)活著看到這一天，但現(xiàn)在我想我會(huì)看到的。”伯杰最后表示。