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莱斯大学领导的神经工程师团队正在着手一项为期四年的雄心勃勃的项目，开发无需手术就能直接连接人脑和机器的头戴设备技术。为了证明其设想，该团队计划将一个人所感知到的视觉图像传输到盲人患者的大脑中。 莱斯大学的神经工程师正在领导一个雄心勃勃的由 DARPA 资助的项目，开发 MOANA，这是一种能够解码一个人视觉皮层中的神经活动并在不到1/20秒内在另一个人身上重建它的非手术设备。 （图片由莱斯大学 J. Robinson 提供） "四年后，我们希望能在没有脑外科手术的情况下，以思维同步的速度，实现大脑与大脑之间的直接交流，"莱斯大学的Jacob Robinson 说，他是这个价值1800万美元的项目的首席研究员，该项目是美国国防部先进研究项目局（DARPA）下一代非手术神经技术（N3）项目的一部分。 在两个大脑之间共享视觉图像听起来像科幻小说，但是 Robinson 说最近的一些技术突破使这个想法成为可能。DARPA 希望通过向 Rice 领导的团队和其他另外五个团队颁发一系列N3奖项来解决这个问题，而其他五个团队已经为连接大脑和机器这一重大的挑战提出了不同的技术解决方案。 "速度是关键，"莱斯布朗工程学院的电气工程、计算机工程和生物工程副教授 Robinson 说。 "我们必须在不到1/20秒的时间内解码一个人的视觉皮层中的神经活动，并在另一个人的大脑中重建它。 在没有动手术的情况下做到这一点的技术目前还不存在。 这就是我们将要创造的。" 因为手术手段并不可用，所有N3小组计划使用光、超声或电磁能的某种组合来读取和写入大脑活动。莱斯大学的"磁、光、声神经接入装置"，即 MOANA， 将运用这三种技术。 MOANA 团队包括来自莱斯、贝勒医学院、德克萨斯儿童医院的 Jan 和 Dan Duncan 神经研究所、杜克大学、哥伦比亚大学和耶鲁大学的 John B.Pierce 实验室。 美国国防部先进研究项目局资助了一个雄心勃勃的4年项目，开发无需手术就能直接连接两人大脑的头戴设备技术。 在莱斯大学神经工程师的带领下，该团队正在研发一种名为 MOANA 的非手术设备，这种设备能够在不到 1/20秒的时间内，在一个人的视觉皮层解码神经活动，并在另一个人的视觉皮层重建神经活动。 上面的图像描绘了 MOANA 头戴设备原型的组件。（图片由莱斯大学 J. Robinson 提供） Robinson 介绍道，N3资助的团队之间的一大区别在于，他们是计划如何处理50毫秒的延迟阈值，以及 DARPA 对空间分辨率的要求。该机构正在寻找一种设备，这种设备可以在一个豌豆大小的体积中，对大脑至少16个位置进行读写。 MOANA 的解码和编码技术将分别采用病毒载体传递基因技术实现，这是一种在临床试验中用于治疗黄斑变性以及一些癌症和神经系统疾病的技术。在解码和编码所需的不同基因的载体，在超声波作用下递送，靶向大脑的16个目标区域中的神经元。 为了"读取"神经活动，MOANA 团队将对神经元进行“重编辑”，可制造称为"钙依赖指示剂"的合成蛋白，以实现在神经元激活时可吸收光。 莱斯的联合研究员 Ashok Veeraraghavan 说，红色和红外波长的光可以穿透头骨，MOANA 的设备将利用这一点。光学子系统将由围绕在颅盖上的目标区域的光发射器和检测器组成。 莱斯大学 MOANA 工程研究人员（左起）Ashok Veeraraghavan，Jacob Robinson 和 Caleb Kemere。 （摄影：莱斯大学 M. Williams） "大部分光线会从头皮和头骨上散射出去，但一小部分光子可以进入大脑，而这一小部分光子所包含的信息对解码视觉是至关重要的，"电气工程、计算机工程和计算机科学的副教授维 Veeraraghavan 说。 "我们的目标是捕捉并解码两次穿过头骨的光子中包含的信息，第一次是在它们到达视觉皮层的途中，第二次是在它们被反射回探测器之后。" MOANA 的光电探测器将是超快和超灵敏的。 前者对于忽略从颅骨散射的光很重要，它只捕获那些有足够时间到达大脑目标区域并返回的光子。 "通过使用超灵敏的单光子计数探测器，可以选择性地感知来自脑组织的微小信号，"Veeraraghavan 说。 来自哥伦比亚工程公司的 Veeraraghavan、Robinson 和 MOANA 的合作者 Kenneth Shepard 和 Andreas Hielscher 计划利用探测器开发一种名为"飞行时间增强功能扩散光学断层成像"（time-of-flight enhanced functional diffuse optical tomography, ToFF-DOT）的技术。就像CT扫描仪一样，ToFF-DOT 可以实时构建身体内部的三维图像，但是CT扫描仪使用的是X射线，ToFF-DOT 使用的是可见光。 视觉皮层16个目标区域的神经元在激活时，其钙依赖的指示蛋白吸收光线，因此预期在 ToFF-DOT扫描中会显得比正常情况下更暗的颜色。解码目标区域从黑暗到明亮的动态变化是 MOANA "阅读"神经活动的过程。 莱斯大学的"磁、光和声的神经通路"（magnetic, optical and acoustic neural access，MOANA）设备将使用光（底部面板）来读取大脑活动，用电磁能量以不到50毫秒内将该活动写入另一个人的大脑的技术。 （图片由莱斯大学 J. Robinson 提供） 该项目三年的工作安排，首先是细胞培养，然后是动物实验，这先于在人类患者上的任何工作。但他表示，MOANA 团队将与 Baylor 经外科部门的 Daniel Yoshor 和 Michael Beauchamp 合作，后者正在进行临床试验，利用一种实验性假体来恢复盲人的视力，这种假体通过手术植入电极直接刺激视觉皮层。 Robinson 说："可能有些患者更喜欢不需要脑外科手术的视觉假体。" "如果我们在细胞和动物模型方面的工作进展顺利，MOANA 可以被批准作为非手术治疗的替代方案，进行临床试验。 这需要基因疗法，但不需要脑外科手术。" 莱斯大学的 MOANA 团队包括（左起）Charles Sebesta，Josh Chen，Jacob Robinson，Amanda Wickens 和Gillaume Duret。（摄影：莱斯大学 Jeff Fitlow） 在接收图像的大脑中，MOANA 会将信息"写"到神经元，这些神经元被改造以响应磁信号而激发。基因载体进入到这些神经元，将产生特定功能的蛋白质，其将天然存在的或合成的铁纳米颗粒束缚到神经元内的离子通道。通过这些离子通道释放钙可“激发”神经元，使其主动传递电脉冲的。 Robinson 说："我们计划利用磁场来加热铁颗粒，从而打开通道并激发神经元。" "但如果需要每隔一两秒是不够的。" 我们的系统必须以毫秒为单位进行响应，以便接收者和感知者在时间上体验到足够接近的感知，使其看起来是同时发生的。" 人类思维涉及许多神经元的协调启动，有时在大脑的不同区域。 莱斯大学的联合研究员 Caleb Kemere 说，16个信息渠道所能达到的沟通质量是一个悬而未决的问题。 莱斯大学的 MOANA 团队包括（左起）Yongyi Zhao，Ankit Raghuram 和 Akshat Dave。 （摄影：莱斯大学 Jeff Fitlow） "我们知道，参与其中的大脑环路非常复杂，"曾使用侵入性技术研究过神经环路的电气、计算机工程和生物工程副教授 Kemere 说。 "有可能早期的16个通道的方法会带来一些混乱模糊不清的结果，但这是一条通往无创非侵入性未来的令人兴奋的道路。" 我们正在开发的系统在时间、密度和性能方面将比目前可用的任何系统都都复杂几个数量级。" 参考资料： Project aims to transfer visual perceptions from the sighted to the blind. Rice University 作者信息 资料来源：莱斯大学 编译：ben 校审：Simon （brainnews编辑部） 题图：thespiritscience.net 前 文 阅 读 |
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