当你开车经过一个十字路口时,看到了变红的指示灯,你会(或你应该)踩下刹车。能做出这个动作多亏了你大脑中的一系列反应。
你的眼睛会向大脑后部的视觉中枢传递信号。经过处理后的信号将沿着一条通路到达一个叫做前运动皮层的区域,大脑便在这个区域安排运动。
现在,试想一下在你的大脑中植入一个可以绕过通路走捷径、将信息直接“注入”前运动皮层的装置。
这听起来或许像是《黑客帝国》(The Matrix)中的一幕。但现在已有两名来自罗切斯特大学(University of Rochester)的神经学家在猴子的大脑中做到了使信息直接进入前运动皮层。周四,《神经元》(Neuron)期刊发表了科学家的实验结果。
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尽管这只是初步的研究,仅对两只猴子进行了实验,但研究人员推测,更深入的研究或将用来为中风患者做大脑植入手术。
“也许可以绕开受损区域,将刺激信号输送至前运动皮层,”该研究的一位共同作者凯文·A·马祖雷克(Kevin A. Mazurek)说。“用这个办法可以连通大脑中已经无法联系上的区域。”
为了研究前运动皮层,马祖雷克和他的共同作者马克·H·希贝尔博士(Dr. Marc H. Schieber)训练两只恒河猴来玩一种游戏。
猴子要坐在一个控制板前,控制板上有一个按钮,一个球形把手、一个圆柱形把手和一个T字型手柄。每个手柄都有LED灯环绕。如果该对象周围的LED灯亮起,猴子需要向着该对象伸出手才可以得到奖赏——在本研究中,奖赏是会喷出清凉的水。
每个对象都需要做出特定的动作。如果是按钮亮起,猴子需要按下按钮。如果是球形把手亮起,则需要转动把手。如果是T字型手柄或圆柱形把手亮起,猴子需要拉动把手。
在猴子学会了如何玩之后,马祖雷克和希贝尔让它们玩了一个接线版本。科学家们在每个猴子大脑的前运动皮层放置了16个电极。
每一次有一圈灯光亮起,电极就会传递一股短暂而微弱的电流。电流的模式会根据科学家们希望猴子去操控的不同物品有所改变。
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猴子玩了几轮下来,手柄周围的灯光会被调暗。起初,暗下来的灯光会使猴子犯错。但他们的表现会有所改善。
最后,灯光会被完全熄灭,但猴子们仍能单纯依靠电极向大脑传输的信号挑选并操纵正确的对象从而获得奖励。并且表现得和有灯光时一样好。
这就意味着大脑中处理环境信息的感觉区是可以被完全绕过的。大脑可以通过电极直接接收信息,作出反应。
神经学家早就知道,在大脑特定部位使用电流,可以使人身体的某些部位不由自主地抽动。但这与猴子们所体验的不同。
马祖雷克和希贝尔通过将脉冲时间缩至最短,排除了这一可能。虽然冲击仅有五分之一秒,猴子依然能够出色地在没有灯光的时候完成游戏。如此短暂的脉冲也不足以让猴子作出抽搐反应。
“刺激肯定是造成了一些有意识的感知,”堪萨斯大学医学中心(University of Kansas Medical Center)的神经学家保罗·切尼(Paul Cheney)说,他并未参与本次新实验。
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但究竟是些什么感知?还不好说。“毕竟,你不能直接去问猴子们是什么感觉,”切尼说道。
希贝尔猜测,猴子们“或许能感受到皮肤上有些什么。或者他们能看见什么。谁知道是什么呢?”
使这个发现格外有趣的是,科学家们输送到猴子大脑中的信号,与按钮、把手、手柄或圆柱体都没有潜在联系。
一旦猴子们开始根据这些信号去抓取正确的物品,研究人员就给它们安排新的任务。现在,将不同的电极对应不同的物品,猴子们很快就学会了新规则。
“这并不是大脑预置的固有运动的一部分,而是一个学习引擎,”普林斯顿大学(Princeton University)的神经学家迈克尔·A·格拉齐亚诺(Michael A. Graziano)说。他没有参与这项研究。
马祖雷克和希贝尔只往猴子体内植入了很小的电极阵列。工程师们正在研究可能包括多达1000个电极的可植入阵列。所以,将来也许可以将复杂得多的信息包传递到前运动皮层。
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希贝尔预计,将来,科学家们也许能够使用这种先进的电极来帮助那些脑部受损的人。例如,大脑中从感觉区域通向大脑做出决定、并向身体发出指令的区域的路径中,某些部分可能会因中风被破坏。
植入电极可以窃听健康区域的神经元,比如视觉皮层,然后将信息转发到前运动皮层。
“当电脑说,‘当你看到红灯时’,你可以说,‘哦,我知道那是什么意思——我应该把脚踩在刹车上,’”希贝尔说。“你从大脑的一个健康区域获得信息,把它发送至给身体下达指令的下游区域。”