近日，北京生命科學研究所/北京腦科學與類腦研究中心羅敏敏 實驗室在Science China Life Sciences發表了題為“An Optical Brain-to-brain Interface Supports Rapid Information Transmission for Precise Locomotion Control”的研究論文。
作者利用光纖記錄和光遺傳學激活技術構建了一個光學腦-腦接口，並且在兩隻小鼠間實現了高信息傳遞速率的運動信息傳遞，從而在原理上驗證了腦-腦接口跨個體精確控制動物運動的可能性。
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人或動物個體之間的交流主要依靠感覺系統，比如視覺、聽覺、嗅覺和觸覺。2009年的科幻電影《阿凡達》展示了地球上的人可以通過腦對腦的直接信息傳遞，遠程控制潘多拉星上經過基因改造的納威人身體。
近幾年有研究展示可以從一隻動物大腦皮層中提取電生理信息，解碼後通過電刺激或經顱磁刺激技術刺激另一隻動物大腦皮層，從而提出了腦-腦接口的概念。但是到目前為止，腦-腦接口信息傳遞速率非常低，是制約腦-腦接口發展的最主要瓶頸。主要的技術障礙是傳統的腦-腦接口需要長期的腦電多通道記錄，技術難度大，缺乏細胞特異性，而腦電波記錄又難以精確解碼，並且解碼的信息難以傳遞到正確的神經環路或特異細胞類型，導致信息傳遞速率非常低（0.004-0.033 bits/s）。因為運動包含起始、終止以及亞秒級別的速度變化，用腦-腦接口精確控制運動還處於科幻層次。
近日，北京生命科學研究所/北京腦科學與類腦研究中心羅敏敏實驗室在Science China Life Sciences發表了題為“An Optical Brain-to-brain Interface Supports Rapid Information Transmission for Precise Locomotion Control”的研究論文。
基於其實驗室之前關於腦幹未定核可整合性調控運動、覺醒及海馬區theta波的發現，他們進一步發現腦幹未定神經元活性可預測動物運動速度。基於這個發現，作者利用光纖記錄和光遺傳學激活技術構建了一個光學腦-腦接口，並且在兩隻小鼠間實現了高信息傳遞速率的運動信息傳遞，從而在原理上驗證了腦-腦接口跨個體精確控制動物運動的可能性。
圖1 基於光學記錄和刺激的腦-腦接口實現了兩隻動物間的運動信息傳遞。A，光學腦-腦接口示意圖。光纖記錄系統記錄一隻鼠的未定核神經元活性（表達了鈣指示蛋白GCaMP6m，稱為“控制鼠”），通過程序把神經元活性信號轉化成光脈衝信號，進而傳遞給另一隻鼠的未定核神經元（表達了光敏感通道蛋白ChR2,稱為“阿凡達鼠”），小鼠頭部固定但身體可在跑輪上自由跑動。B，從上到下依次是控制鼠運動速度，控制鼠未定核神經元活性變化，信號轉化方程，光脈衝信號，阿凡達鼠運動速度。C，阿凡達鼠運動速度（藍色）與控制鼠運動速度（紅色）高度同步。D，阿凡達鼠運動速度與控制鼠運動速度正相關。E，控制鼠與阿凡達鼠之間的信息傳遞速率。
光學腦-腦接口使一隻小鼠（控制鼠，Master mouse，左）精確控制另一隻小鼠（阿凡達鼠，Avatar mouse，右）的運動。兩隻小鼠分別被固定頭部，放置於一定距離的跑輪上。
該研究巧妙地利用了光纖記錄和光遺傳學技術，以及可精確預測和調控動物運動速度的神經環路。研究人員利用光纖記錄系統從表達了鈣指示蛋白GCaMP6m未定核神經元中提取運動信息（該鼠稱為“控制鼠”），然後利用支持向量機和一個線性公式把神經元活性信號解碼，進而通過光遺傳學刺激傳遞給另一隻鼠的未定核神經元（稱為“阿凡達鼠”，圖1A-B）。
這個基於光學記錄和刺激的腦-腦接口實現了動物的高度同步化運動，信息傳遞速率達到了4.1 bits/s（圖1C-E），比之前同類研究高2-3個數量級。
該研究強調了在建設高性能腦-腦接口時，選擇合適的神經環路以及記錄和刺激工具的重要性。該研究能實現高信息傳遞速率的原因有以下幾個：
首先，選擇了可以預測和控制運動速度的腦幹未定核神經元來提取運動信息；
其次，選擇了利用光纖記錄系統記錄未定核特定細胞類型的神經元鈣信號變化，這有以下幾個優點：（1）可以穩定記錄有相似功能的特定細胞類型的神經元活性；（2）信噪比高；（3）相對容易操作，避開了多通道記錄的技術挑戰，降低了神經信息解碼難度。
最後，作者選擇了光遺傳學刺激手段來激活阿凡達鼠大腦中特定神經元。
該研究展示了一種新的基於光學記錄和刺激的腦-腦接口，實現了高信息傳遞速率的運行信息傳遞，充分展示了腦-腦接口的潛力。
該工作主要由羅敏敏實驗室盧立輝完成，王睿宇協助完成了解碼的程序編寫，羅敏敏博士為該文通訊作者。該工作在北京生命科學研究所及北京腦科學與類腦研究中心完成。
文章信息：
Lu, L., Wang, R., and Luo, M. (2020). An optical brain-to-brain interface supports rapid information transmission for precise locomotion control. Sci China Life Sci 63, https://doi.org/10.1007/s11427-020-1675-x
作者信息
校審： Simon（brainnews編輯部）
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