人體大腦(圖:Matt Cardy/Getty Images)

美國國防高等研究計劃署(DARPA )近日公布了一個大腦刺激裝置,可以將學習能力提高 40%。雖然該裝置一開始是用獼猴進行測試,研究人員稱這種裝置將來可以用於改變人體大腦中的功能性連接。

 

用電流刺激大腦

這種裝置可以像帽子一樣戴在頭上,利用電流刺激大腦的部分區域。實驗中,研究人員對獼猴實施「非侵入性經顱直流電刺激」(non-invasive transcranial direct current stimulation,tDCS),刺激大腦的前額葉皮層。然後讓獼猴執行一項聯想學習(associative learning)的任務。獼猴必須學習把一個視覺訊息和一個地點聯繫起來,從而得到獎賞。接收到視覺訊息後,獼猴將開始尋找獎賞。

研究結果表明,對照組獼猴需要 22 次嘗試,才能學會看到視覺訊息後直接找到獎賞,而實驗組獼猴經過該裝置刺激後,只需要 12 次嘗試,就能學會這項技能。學習速度提高了 40%。

前額葉與其他腦區的連接

研究的首席科學家 Praveen Pilly 解釋說,實驗中之所以選擇刺激前額葉皮層,是因為此處控制人體許多執行功能,包括決策制定、意識控制和情景性記憶的獲取。前額葉皮層幾乎與所有其他腦區都形成聯繫,刺激它將產生廣泛的作用。

實驗中,刺激前額葉皮層改變了該區域與其他腦區之間的聯繫。正是這些增強的聯繫提高了獼猴的學習能力,而不是神經元發放頻率的功勞。Pilly 說,腦區之間高頻段的長距離連接增強,低頻段的連接減弱,這是提高學習能力的決定性因素。

應用前景

研究人員認為,經顱直流電刺激(tDCS)廣泛改變了大腦的活動性,這表明它可能是改變人體大腦功能性連接的有效方法,造價低廉,只需非侵入性操作。

這項研究是 DARPA 「恢復活躍記憶」(Restoring Active Memory,RAM)項目的一部分,實驗裝置由加利福尼亞 HRL 實驗室、加拿大蒙特利爾麥吉爾(McGill)大學和紐約的 Soterix 醫療共同開發。

研究的初衷是創傷性腦損傷帶來的無法獲取記憶的問題。DARPA 希望開發出新的神經義肢技術,填補受傷大腦中的記憶斷層。最終目標是開發出可移植的無線界面,幫助腦損傷患者恢復記憶,重獲記憶功能。

註:經顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation, tDCS)是一種神經刺激方式,通過覆蓋在大腦外表面的兩塊電極,用恆定的低直流電刺激大腦。

經顱直流電刺激(圖:Laboratory For Neurobiology of Psychiatric Disorders, Hanoch Kaphzan, University of Haifa)

參考資料:

1. Krause M R, Zanos T P, Csorba B A, et al. Transcranial Direct Current Stimulation Facilitates Associative Learning and Alters Functional Connectivity in the Primate Brain[J]. Current Biology, 2017.

2. Osborne H, DARPA scientists unveil brain device that boosts learning by 40 percent, Newsweek, Oct 25, 2017.

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