我们可以完全操控自己的大脑了吗?

2019年,埃隆·马斯克宣布Neurolink的脑机接口技术时,曾让世人惊骇一时。但实际上类似的底层技术在科研和临床中早已开始探索应用。

我们邀请中科院神经所脑成像组组长、研究员王征介绍,Neurolink所涉及到的神经调控技术已经发展到什么程度,以及我们应该如何去应用这项技术。

王征是一位有趣的科学家:他带着自己大脑的1:1模型走上作为演讲开场白,像是一场未来科幻片中场景,我与我的大脑,同在一起。

接着他从百多年前人类对大脑的探索讲起,用生动的实例科普了:

神经调控技术到底有多神奇,我们现在已经可以在多大程度上主观调控大脑?

这项技术能让我们彻底从人性的痛苦和无能中解脱吗?

王征在演讲中有两个例子非常有趣、令人印象深刻:

一是用来减肥的缩胃术。很多人认为这只是外科手术,怎么就和大脑扯上了关系?其实大脑是不知道你的胃有多大的,是胃负责传送信号到大脑里面去,当然这个信号存在延迟,于是你总是容易吃撑。王征希望能够找到传递这种信号的细菌,这样在未来不需要做手术,靠调节这种信号就能实现少吃和减肥成功。

二是经颅电刺激手段短期内提升人的记忆力。展望一下,未来学生们在考试前,是否只需要去电一电对应的神经系统,就可以全部记住这些知识点?

以下为王征演讲全文:

我手上拿着的这个模型,就是人类的大脑,而且是我自己大脑的1:1模型比例,是我的学生在教师节的时候送给我的礼物。

王征带着他的大脑1:1模型登上造就舞台

大脑,跟其他身体其他的器官不一样,最大的区别是不同的脑功区的异质性非常高。异质性意味着大脑的各个区域都负责执行不同的功能(人身体其他器官鲜少存在不同分区执行不同功能的特质),而异质性非常高,就是指图上这种,大脑每个非常细的网格,彼此之间的的功能分区都不同,我们把这种网格叫作大脑的地图,脑图谱。

大脑不同的脑功能区异质性非常高

人类关于大脑地图的探索,实际上从100多年前就开始了。

1909年的时候,有一个叫Brodmann的人,他对全脑进行不同功能的划分。

脑图谱

过去的100年,随着科学技术发展,关于大脑不同功能分区、我们对自身大脑的理解,也不断在发生演变。毕竟大脑的外面还长着脑壳,所以某种意义上来讲,头盖骨阻碍了人类了解自身的奥秘。

这里给大家介绍的是磁共振成像技术。它在现在的三甲医院是标配,利用磁共振成像技术,可以对全脑几乎所有部位进行无损无创的成像,方便医生去做临床诊断。

磁共振成像技术

实际上,这项技术的诞生,先后有七项诺贝尔奖跟它有关系,缺少其中任何一项都可能导致这项技术不为人类所用。在基础科研领域,这项技术也在帮助我们研究大脑图谱。

这张图就是我们实验室利用磁共振成像技术,去获取我们说的“大脑的高速公路”的图像。这些彩色的像纤维一样的东西,就是连接不同脑区的神经纤维束。

那么除了探索大脑奥秘的基础科研领域之外,我们研究脑图谱有没有什么具体的用途?

我给大家分享几个可以比较直观理解的例子。

这是我们合作的一个课题,复旦大学附属华山医院神经外科吴劲松主任,他们在临床中利用脑图谱结合电生理等技术,来共同对肿瘤进行定位,尤其是定位大脑里的肿瘤。

左边为大脑皮层定位,右边为人的身体分别由大脑哪些区域反应控制

当医生做手术打开人的大脑时,肉眼并能直接看到肿瘤在哪里,必须借助一些辅助手段来查找肿瘤。一是因为大脑不同区域分工都很细,二是切除肿瘤一定要很精准,不能多不能少,不能影响正常脑部功能。现在这项技术在这类临床当中已经开始广泛应用。

这是我们实验室过去几年的一项工作,我们可以利用脑功能连接图谱,评估药物治疗的机制。这个案例是我们在2016年发表的工作,用脑图谱评估氯胺酮这种药物的治疗机制。

评估药物治疗机理

氯胺酮是一种抗抑郁的药物。它能够起作用,是因为它对大脑里面不同的脑区进行上调或者是下调,达到抗抑郁的效果。我们通过磁共振成像技术,就可以很好地观测氯胺酮在大脑中的反应。2019年3月5日,美国FDA已经正式批准氯胺酮作为临床治疗重度抑郁的药物建议使用。

脑图谱也可以来评估手术的疗效。

这是我们在2018年跟上海瑞金医院合作的课题。我们希望利用脑图谱在医生进行手术治疗之前,去评估对这一个病人而言可能的手术疗效效果。

这里是一个用手术治疗重度强迫症的案例, 我们希望给医生提供一种辅助性的提前的客观评估,看对这个病人来说,这种手术治疗是否是一个最佳的方案,康复的可能性有多少。

利用脑图谱评估强迫症手术治疗效果

实际上,现在目前不管是在基础科研还是在临床领域,用于治疗或者是调控大脑功能的技术手段还是非常多的。

给大家举个例子,早在一九三几年的时候,我们就有用冰锥去刺激治疗大脑前额叶功能的一些损伤的尝试,它其实当时也是作为手术治疗的手段引入。

冰锥疗法的前身是切除前额叶技术,由于当时人们对于神经科学的了解不充分,大脑前额叶切除手术在精神病人治疗中十分盛行,给一代精神病人带去了噩梦,1945年科学家细化了这项技术发展出冰锥疗法,接受这类治疗后许多患者都变得沉默寡言、失去性格等。前额叶切除技术获得了1949年的诺贝尔,称得上是诺奖的“黑历史”。

现在已经发展出更多无损无创的磁刺激、电刺激来调节脑功能。

给大家举一个例子,这个俗称叫脑起搏器,大家知道有心脏起搏器,那么脑起搏器是干什么用的呢?

视频里是一个典型的帕金森患者,有典型的手部震颤的症状,震颤起来的时候他完全没办法控制。那么通过植入这样一个脑起搏器,也就是电极,植入到特定的脑区,然后他胸前会装一个我们叫做脉冲发射器或编程器的东西。编程器会产生一定的电流,以一定的幅值、一定的频率去刺激脑区。

装上装置打开之后,我可以看到,同一个病人他的手部,瞬间就可以施展一些非常精细的运动功能控制,而且效果是立竿见影的。所以现在临床已经广泛使用,比方说,北京上海的资质比较好的三甲医院,都可以实施这一类手术治疗。

我们最近也跟上海交通大学附属瑞金医院合作了一个课题,可能很多人会比较感兴趣。临床上有一种缩胃术,大家知道减小胃的尺寸可以减肥。可能很多人想这是一个纯粹外周组织的事,关脑子什么事。

但是,大家想过这个问题没有,大脑是不知道你的胃有多大的。比如我为什么可以吃到一定的程度,要停止吃了,实际上是你在饮食的过程当中会分泌一些激素或生化信号,会送到大脑里面去,你就停止吃了。

这个信号有一个延迟,这就是为什么你会吃撑了的原因。如果没有延迟的话,你会马上就停止(吃这个动作)。我们会发现,这种通过缩胃术的研究,把胃缩小一点,会引起非常显著的激素的分泌以及肠道菌群的变化,这些变化会送信号到大脑里面,去调控你的饮食习惯。

缩胃术

大家都知道,人是很难控制想吃东西的欲望的,比方说我就忍不住要吃鸡腿。我们为什么去研究它,当然是希望有没有可能在未来不需要再去做物理的手术。如果我们证实了背后这样有一个分子机制或者某种细菌,它能够起到发送减肥信号到大脑里面去,那不就可以实现减肥了吗?

刚才提到的肠道菌群,其实也是一种神经调控的手段,它可以调节人的睡眠和情绪。这是已经有科学实验证据的,持续数周每天进食酸奶,会改变你跟大脑情绪相关的脑区的活动,它可以减少你的焦虑,增强你的快乐感。

那么还有一种跟大家日常生活比较接近的,就是冥想,在科学界也有叫思维训练,它可以对大脑功能活动进行一些调控。

冥想

给大家举一个例子,2019年哈佛大学医学院一个研究小组的实验。他们通过对被试者进行两天的冥想训练Mindfulness Training发现,它可以消除被试者对恐惧记忆的影响,比如在我们俗称的应激后创伤反应(PTSD),是一个非常普遍的应用。我在美国做博士后的时候了解到,实际上美军最大的伤亡原因是PTSD,而不是战场的损伤。

在上面这张图里可以看到,黄色这个区域实际上是跟记忆相关的,冥想可以有效调节跟记忆相关的海马脑区以及前额叶相关脑区的一些活动,来降低焦虑或者是减轻负面记忆的影响。

那么还有一种神经调控方式——聊天。在临床心理治疗过程当中,我们有一个专业的术语叫Cognitive Behavior Therapy,认知行为训练。比方说今天早上起来,最近事情太多了,脑子里面乱成一团麻,我通过一种话疗的方法,就是我跟专业人士聊天,就可以把你的大脑梳理成比较有规律的一个状态。

还有一种叫团体治疗Group Therapy,我们在一个小的团体里通过这种对话聊天的这种方式,也是一种很好的神经调控的手段。

王征在造就舞台演讲

这些神经调控技术,虽然在临床或者基础科研得到很广泛的使用,但不得不承认,这些技术背后的一些工作原理以及它的适用场景,目前还处于探索阶段。

这也是为什么我们实验室想利用非灵长类的动物模型,去研究不同神经调控技术手段背后的工作原理。

给大家一个例子,2016年在Nature上面发表的一篇文章,就是通过植入类似刚才的脑起搏器的装置,让瘫痪的猕猴开始恢复行走。

非灵长类动物模型研究神经调控机制

那么我们实验室也可以做类似的研究,比如训练猕猴去做一些行为运动。

大家可以看下视频,猴子坐在一个猴椅里,然后它的手是在控制一个游戏杆,它可以左右摆动,白色的点是它控制的游戏杆,蓝色的方块是它的目标。它需要操控白色的点去追踪蓝色的方块。

通过几个月的训练,猕猴还是非常成功地完成这个任务,我们比较关心有没有手段让它能够学习的更快一些、能不能提高它的任务的准确性?

所以在它做任务的过程当中,我们把它推到磁共振成像设备里,看一看它做任务的同时大脑有哪些脑区起到执行任务的作用。一些初步的实验结果显示,大脑关于前额叶的这些脑区很活跃,说明这些脑区会对执行这类功能起到很好的作用。

最后,我想说的是,正因为这些技术可以有效提升个体的功能,改善他的行为,它也引起了各个不同领域的广泛关注。

比如说,美国国防研究办公室Darpa机构早在2013年就启动了TNT项目,靶向神经调控技术,想有选择性的、有针对性的探索提升人体功能。

这里也给大家举另外一个例子,2015年在Science杂志上发表了一篇有关经颅电刺激可以提升人记忆力的文章。

靶向神经可塑性训练

这是一个很诱人的一个场景,我们可以想象一下:我们的学生过两天要考试了,我记不住这些知识,我是不是能先来个经颅电刺激,然后再去学习,是不是就能比较快的记住这些东西?

这是一个美好的愿望,但还有很多事情我们需要去解决。这些比较诱人的场景也带来了一些问题,比如说这些技术会不会被滥用?这里面实际上存在着一个很现实的问题——很多技术都在应用,但是很多背后的基本工作原理都不知道。

虽然刚才说的经颅电刺激,已经发了正规的实验证据说可以提升记忆力,那么它为什么不能在社会上得到广泛推广?

因为人跟人之间个体差异比较大,实验数据覆盖范围也有限,这个技术目前可能只适用于小部分人群或只用于一个特定的场景,还远远没有达到能广泛推广的地步。

王征在造就舞台演讲

所以在这种情况下,做科学研究的人一般是处于保守的状态,我们希望彻底把这个事背后的原理分析清楚了,再去做广泛的推广使用。但是现在是因为需求太大了,所以很多人就等不及了。

除了这些问题之外,还有一些是我们可能想象不到的伦理问题。一个实际的例子:我们在跟瑞金医院合作的利用脑起搏器去治疗物质成瘾的一个患者,治疗非常成功,但结局我们意想不到。

这位患者植入DBS装置之后,他的毒瘾得到非常好的控制,几乎可以恢复正常人去生活工作。

但是他以为他植入了装置以后,就有了一个保护伞,于是他重新又去吸了毒品,而且一次过量,导致自己丧失了生命。

说实话,这个结局有点超乎我们想象,原以为我们是提供了一个工具去缓解他的烦恼,但实际上他反而利用这个东西去肆无忌惮地释放自己,以为就好像我系了安全带,就可以把车开到150迈以上,结果就造成了这样一个结局。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注