训练大脑的视觉中心以采取行动

神经科学家通过训练通常处理来自眼睛的输入以开发新技能(在这种情况下，以控制计算机生成的音调)的神经元，证明了大脑的惊人灵活性。来自加利福尼亚大学伯克利分校，哥伦比亚大学和位于葡萄牙里斯本的尚帕里莫德未知中心的研究人员可以很容易地将位于视觉皮层的这些神经元连接起来，以操纵机器人手臂或任何其他脑机界面，选择感觉神经元来完成运动神经元的工作。

“我们任意劫持了视觉皮层中的一小群神经元，并实际上重新路由了它们的输出，以使它们控制脑机接口或BMI，”该论文即将发表的论文的高级作者何塞·卡梅纳(Jose Carmena)说。神经元杂志 。“为了获得报酬，大鼠学会了产生与视觉输入无关的任意神经活动模式，以控制BMI，突出了神经可塑性的力量和大脑的灵活性。”

Carmena和共同第一作者Ryan Neely还发现，从皮层到下层纹状体的连接是该学习的关键，代表了反馈回路，可能是整个大脑学习和记忆的基础。

“这些结果表明，纹状体在持续的经验和行为结果的基础上，在塑造皮层活动方面起着比以前所承认的更广泛的作用，并且对思想，行动和脑机接口的神经科学具有广泛的意义。”加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学系教授和海伦·威尔斯神经科学研究所教授。

大脑的可塑性是否受到限制?

大脑的可塑性众所周知。大脑某一区域受损的人可以重新训练邻近区域以接管失去的功能。卡梅纳(Carmena)研究大脑如何学习新技能并控制运动，包括对身体外部物体(如假肢)的控制，他发现了大脑学习控制BMI的容易程度。

他说：“当我第一次来到伯克利时，我的学生和博士后看到这种塑料组织出现在我们一直用于BMI的所有运动领域中，他们问：控制BMI的最佳领域是什么?这种可塑性的极限是什么?有没有什么地方行不通的?”

他和尼利(Neely)完成了博士学位。在2017年与Carmena合作，通过尝试训练视觉神经元来测试这些限制，视觉神经元通常会解释眼睛的输入但不控制任何身体动作，就像控制肌肉的运动神经元一样起作用。

只需将16个电极植入12只大鼠的视皮层(V1)中。他将电极记录的电活动(代表几个神经元的尖峰信号)任意路由到一个设备，该设备根据哪个神经元处于活动状态来提高或降低可听音的音调。

然后，对大鼠进行了数次训练以提高或降低音调，其中只有一个会奖励给他们甜味饮料。为了获得奖励，所有大鼠学会了在正确的一组神经元中产生尖峰活动，同时沉默其他神经元。它们在黑暗中是成功的-研究人员认为，这种方法可以最大程度地减少老鼠眼睛中闪耀的光线带来的干扰-但在开灯的情况下也能表现出色。背侧纹状体(基底节的一部分)中的电极记录了与视觉皮层学习一致的变化。

共同第一作者亚伦·科拉莱克(Aaron Koralek)和该论文的另一位资深作者，尚帕里莫德未知中心的神经科学家瑞·科斯塔(Rui Costa)对小鼠进行了类似的实验，但也将光遗传学开关插入了背侧纹状体的细胞中，以便可以通过关闭它们来关闭它们。激光的闪光进入大脑。他们采用了四年前在麻省理工学院开发的一种相对较新的光遗传学工具，称为“颌骨”(Jaws)，以使纹状体神经元沉默。

“这些实验进一步证明，纹状体可以帮助生物体学习控制大脑其他区域的活动模式，即使这些活动模式位于主要的感觉区域(例如视觉皮层)也是如此，”科斯塔说。在哥伦比亚大学的Mortimer B. Zuckerman思维脑行为研究所建立了实验室。“这些发现表明，纹状体对于调节生物体主动感知或感知的能力可能很重要。”

这些小鼠还学会了控制音调的频率，但是当关闭纹状体细胞时却无法控制音调的频率。在2012年，Carmena，Costa及其同事最先表明，在大脑运动区域，如果没有与纹状体细胞连接的可塑性，神经元就无法学习虚拟任务。

“当这些细胞失活时，动物将无法学习，这表明我们六年前在运动区域观察到的纹状体似乎很普遍，就像大脑中学习的基础”，Carmena说过。

Carmena怀疑大脑的另一个区域也是涉及皮层和纹状体的学习循环的一部分，以提供从纹状体到皮层的反馈，因为存在反馈但没有纹状体细胞直接连接回视觉皮层。正在进行的研究旨在找出这些过程中其他区域的位置，并阐明大脑如何能够重新训练数百万只皮层中的少数细胞以操作体外物体。

“现在有一些公司，例如由埃隆·马斯克(Elon Musk)创立的Neuralink和 由布莱恩·约翰逊(Bryan Johnson)创立的Kernel ，它们正在努力为人类创建全皮质界面，以用于未来的脑机直接通信。”现在iota Biosciences工作的Neely说，这是一家由Carmena和伯克利同事Michel Maharbiz共同创立的初创公司。“此任务的一个重要问题是确定支持学习抽象技能的支持电路，例如直接与机器进行通信。我们的研究表明，皮质和纹状体是这种电路的关键元素。”

对于Carmena而言，皮质的所有区域都会产生某种“动作”，无论该动作是要解释(如视觉皮层中的细胞解释眼睛的输入)还是触发身体反应，就像运动皮层中的神经元一样。从这个角度来看，当前的研究支持这样的想法，即大脑和大脑皮层之间的电路回路在整个大脑中是相同的，并且无论当前具有什么功能，都能够进行相同类型的学习。

“这项研究证明了中枢神经系统和大脑的灵活性，它能够将非常随意和抽象的事物连接到动物上-他们在生态环境中没有做到这一点，例如将音调调高以获得这是对皮层神经元的一种奖励。”卡梅纳说。“您可以利用所有这些内置机制来学习这些新模式，并将视觉或运动皮层变成BMI皮层。大脑没有说，“嘿，这是什么?” 电路正在与他们交谈，他们开始工作。”

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