萊斯大學領導的神經工程師團隊正在著手一項為期四年的雄心勃勃的項目，開發無需手術就能直接連接人腦和機器的頭戴設備技術。為了證明其設想，該團隊計劃將一個人所感知到的視覺圖像傳輸到盲人患者的大腦中。
萊斯大學的神經工程師正在領導一個雄心勃勃的由 DARPA 資助的項目，開發 MOANA，這是一種能夠解碼一個人視覺皮層中的神經活動並在不到1/20秒內在另一個人身上重建它的非手術設備。 （圖片由萊斯大學 J. Robinson 提供）
"四年後，我們希望能在沒有腦外科手術的情況下，以思維同步的速度，實現大腦與大腦之間的直接交流，"萊斯大學的Jacob Robinson 說，他是這個價值1800萬美元的項目的首席研究員，該項目是美國國防部先進研究項目局（DARPA）下一代非手術神經技術（N3）項目的一部分。
在兩個大腦之間共享視覺圖像聽起來像科幻小說，但是 Robinson 說最近的一些技術突破使這個想法成為可能。DARPA 希望通過向 Rice 領導的團隊和其他另外五個團隊頒發一系列N3獎項來解決這個問題，而其他五個團隊已經為連接大腦和機器這一重大的挑戰提出了不同的技術解決方案。
"速度是關鍵，"萊斯布朗工程學院的電氣工程、計算機工程和生物工程副教授 Robinson 說。 "我們必須在不到1/20秒的時間內解碼一個人的視覺皮層中的神經活動，並在另一個人的大腦中重建它。 在沒有動手術的情況下做到這一點的技術目前還不存在。 這就是我們將要創造的。"
因為手術手段並不可用，所有N3小組計劃使用光、超聲或電磁能的某種組合來讀取和寫入大腦活動。萊斯大學的"磁、光、聲神經接入裝置"，即 MOANA， 將運用這三種技術。
MOANA 團隊包括來自萊斯、貝勒醫學院、德克薩斯兒童醫院的 Jan 和 Dan Duncan 神經研究所、杜克大學、哥倫比亞大學和耶魯大學的 John B.Pierce 實驗室。
美國國防部先進研究項目局資助了一個雄心勃勃的4年項目，開發無需手術就能直接連接兩人大腦的頭戴設備技術。 在萊斯大學神經工程師的帶領下，該團隊正在研發一種名為 MOANA 的非手術設備，這種設備能夠在不到 1/20秒的時間內，在一個人的視覺皮層解碼神經活動，並在另一個人的視覺皮層重建神經活動。 上面的圖像描繪了 MOANA 頭戴設備原型的組件。（圖片由萊斯大學 J. Robinson 提供）
Robinson 介紹道，N3資助的團隊之間的一大區別在於，他們是計劃如何處理50毫秒的延遲閾值，以及 DARPA 對空間分辨率的要求。該機構正在尋找一種設備，這種設備可以在一個豌豆大小的體積中，對大腦至少16個位置進行讀寫。
MOANA 的解碼和編碼技術將分別採用病毒載體傳遞基因技術實現，這是一種在臨床試驗中用於治療黃斑變性以及一些癌症和神經系統疾病的技術。在解碼和編碼所需的不同基因的載體，在超聲波作用下遞送，靶向大腦的16個目標區域中的神經元。
為了"讀取"神經活動，MOANA 團隊將對神經元進行“重編輯”，可製造稱為"鈣依賴指示劑"的合成蛋白，以實現在神經元激活時可吸收光。
萊斯的聯合研究員 Ashok Veeraraghavan 說，紅色和紅外波長的光可以穿透頭骨，MOANA 的設備將利用這一點。光學子系統將由圍繞在顱蓋上的目標區域的光發射器和檢測器組成。
萊斯大學 MOANA 工程研究人員（左起）Ashok Veeraraghavan，Jacob Robinson 和 Caleb Kemere。 （攝影：萊斯大學 M. Williams）
"大部分光線會從頭皮和頭骨上散射出去，但一小部分光子可以進入大腦，而這一小部分光子所包含的信息對解碼視覺是至關重要的，"電氣工程、計算機工程和計算機科學的副教授維 Veeraraghavan 說。 "我們的目標是捕捉並解碼兩次穿過頭骨的光子中包含的信息，第一次是在它們到達視覺皮層的途中，第二次是在它們被反射回探測器之後。"
MOANA 的光電探測器將是超快和超靈敏的。 前者對於忽略從顱骨散射的光很重要，它只捕獲那些有足夠時間到達大腦目標區域並返回的光子。
"通過使用超靈敏的單光子計數探測器，可以選擇性地感知來自腦組織的微小信號，"Veeraraghavan 說。
來自哥倫比亞工程公司的 Veeraraghavan、Robinson 和 MOANA 的合作者 Kenneth Shepard 和 Andreas Hielscher 計劃利用探測器開發一種名為"飛行時間增強功能擴散光學斷層成像"（time-of-flight enhanced functional diffuse optical tomography, ToFF-DOT）的技術。就像CT掃描儀一樣，ToFF-DOT 可以實時構建身體內部的三維圖像，但是CT掃描儀使用的是X射線，ToFF-DOT 使用的是可見光。
視覺皮層16個目標區域的神經元在激活時，其鈣依賴的指示蛋白吸收光線，因此預期在 ToFF-DOT掃描中會顯得比正常情況下更暗的顏色。解碼目標區域從黑暗到明亮的動態變化是 MOANA "閱讀"神經活動的過程。
萊斯大學的"磁、光和聲的神經通路"（magnetic, optical and acoustic neural access，MOANA）設備將使用光（底部面板）來讀取大腦活動，用電磁能量以不到50毫秒內將該活動寫入另一個人的大腦的技術。 （圖片由萊斯大學 J. Robinson 提供）
該項目三年的工作安排，首先是細胞培養，然後是動物實驗，這先於在人類患者上的任何工作。但他表示，MOANA 團隊將與 Baylor 經外科部門的 Daniel Yoshor 和 Michael Beauchamp 合作，後者正在進行臨床試驗，利用一種實驗性假體來恢復盲人的視力，這種假體通過手術植入電極直接刺激視覺皮層。
Robinson 說："可能有些患者更喜歡不需要腦外科手術的視覺假體。" "如果我們在細胞和動物模型方面的工作進展順利，MOANA 可以被批准作為非手術治療的替代方案，進行臨床試驗。 這需要基因療法，但不需要腦外科手術。"
萊斯大學的 MOANA 團隊包括（左起）Charles Sebesta，Josh Chen，Jacob Robinson，Amanda Wickens 和Gillaume Duret。（攝影：萊斯大學 Jeff Fitlow）
在接收圖像的大腦中，MOANA 會將信息"寫"到神經元，這些神經元被改造以響應磁信號而激發。基因載體進入到這些神經元，將產生特定功能的蛋白質，其將天然存在的或合成的鐵納米顆粒束縛到神經元內的離子通道。通過這些離子通道釋放鈣可“激發”神經元，使其主動傳遞電脈衝的。
Robinson 說："我們計劃利用磁場來加熱鐵顆粒，從而打開通道並激發神經元。" "但如果需要每隔一兩秒是不夠的。" 我們的系統必須以毫秒為單位進行響應，以便接收者和感知者在時間上體驗到足夠接近的感知，使其看起來是同時發生的。"
人類思維涉及許多神經元的協調啟動，有時在大腦的不同區域。 萊斯大學的聯合研究員 Caleb Kemere 說，16個信息渠道所能達到的溝通質量是一個懸而未決的問題。
萊斯大學的 MOANA 團隊包括（左起）Yongyi Zhao，Ankit Raghuram 和 Akshat Dave。 （攝影：萊斯大學 Jeff Fitlow）
"我們知道，參與其中的大腦環路非常複雜，"曾使用侵入性技術研究過神經環路的電氣、計算機工程和生物工程副教授 Kemere 說。 "有可能早期的16個通道的方法會帶來一些混亂模糊不清的結果，但這是一條通往無創非侵入性未來的令人興奮的道路。" 我們正在開發的系統在時間、密度和性能方面將比目前可用的任何系統都都複雜幾個數量級。"
參考資料：
Project aims to transfer visual perceptions from the sighted to the blind. Rice University
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編寫：ben（brainnews創作團隊）
校審：Simon （brainnews編輯部）