211service.com
Ett första steg mot en protes för minne
Forskare har utvecklat den första minnesprotesen - ett neuralt implantat som, hos råttor, återställde förlorad hjärnfunktion och förbättrade korttidsminnet. Även om mänskliga tester fortfarande är ett avlägset mål ger implantatet bevis på att hjärnans komplexa neurala kod kan tolkas och reproduceras för att förbättra kognitiv funktion.
Minneschip: Det lilla chippet i mitten av detta implantat använder en algoritm för att omvandla inkommande neurala signaler till utgående impulser som kan underlätta minnet hos råttor. Forskare hoppas att implantatet kommer att vara det första steget mot en minnesprotes för människor.
Enheten, som består av ett litet chip och en uppsättning av 32 elektroder, förenar matematik och neurovetenskap. I dess hjärta finns en algoritm som dechiffrerar och replikerar den neurala koden som ett lager i hjärnan skickar till ett annat. Funktionen som återställs av implantatet är begränsad - råttor kunde komma ihåg vilken av två spakar de hade tryckt på. Men dess skapare tror att en enhet enligt samma princip en dag skulle kunna användas för att förbättra minnet hos personer som lider av stroke, demens eller andra hjärnskador.
Wake Forest University neurofysiolog Samuel Deadwyler först tränade råttorna att trycka på två olika spakar i följd. Djuren lärde sig att trycka på en spak när den presenterades för dem och sedan, efter en fördröjning, komma ihåg vilken de hade tryckt på och välja den andra andra gången. Medan råttorna utförde uppgiften, registrerade två uppsättningar av minutelektroder aktiviteten hos enskilda neuroner på höger och vänster sida av hippocampus, ett område av hjärnan som konsoliderar korttidsminnet genom att bearbeta information när det passerar genom flera lager. En uppsättning av 16 elektroder – åtta till höger, åtta till vänster – övervakade signaler som skickades från neuroner i ett område av hippocampus som kallas CA3-lagret, och ytterligare 16 övervakade de bearbetade signalerna som tas emot av neuroner i CA1-lagret.
Tillsammans med Theodor Berger , en biomedicinsk ingenjör och neuroforskare vid University of Southern California, Deadwyler karakteriserade mönstret av neural aktivitet som är förknippat med ett korrekt svar - mönstret som indikerar bildandet av ett solidt korttidsminne. Forskarna stimulerade nerverna i samma mönster och testade om råttorna. Den här gången gjorde djuren färre misstag och kunde komma ihåg vilken spak de skulle trycka på även efter längre förseningar. När forskarna tog det ett steg längre och förhindrade minnesbildning med ett nervblockerande läkemedel, fann de att råttorna fortfarande kunde komma ihåg vilken spak de skulle trycka på om de stimulerades med det neurala impulsmönstret.
Det är en spännande demonstration av de förmågor som vi har nu, inte bara att läsa av hjärnans neuronaktivitet utan också att manipulera den, säger Charles Wilson , en neuroforskare och emeritusprofessor vid University of California, Los Angeles, som inte var involverad i forskningen. Förhoppningsvis kan detta vara kliniskt användbart i framtiden.
En del av utmaningen med att skapa protesen var att utveckla en enhet som i slutändan skulle kunna hjälpa till att återkalla många typer av minnen. Det krävde att lära sig att replikera hippocampus aktiviteter. Istället för att lagra specifika minnen skickar hippocampus dem vidare till hjärnans långtidsminne och översätter dem till en form som långtidsminnet kan lagra. På samma sätt lagrar algoritmen inte specifika exempel – hur man borstar tänderna, hur man hittar hem – utan skapar istället en uppsättning regler ungefär som de som ett röstigenkänningsprogram kan använda för att översätta ett språk till ett annat. Vi försöker inte förstå språket, säger Berger. Kan vi snarare, utifrån vad vi hör, översätta något från ryska till kinesiska utan att känna till någon av dem?
Berger och Deadwyler arbetar nu för att öka antalet neuroner de kan övervaka och för att flytta sin forskning om icke-mänskliga primater - nästa steg på den långa resan mot att utveckla ett mänskligt implantat. Vi har redan teknologin och förmågan att registrera och stimulera en enda neuron hos människor; ingredienserna finns redan där, säger Wilson. Och det faktum att det kunde göras på djur tyder för mig på att en liknande sak kan göras hos människor.