http://medicalxpress.com/news/2013-02-brain-to-brain-interface-transmission-tactile-motor.html
February 28, 2013
研究者首次以電氣方式連接一對大鼠的腦部，使得牠們能「直接」溝通，解決簡單的行為謎題。這項研究的進階版測試，成功地連接二隻相距幾千英里的動物 -- 一隻在北卡羅萊納的 Durham，另一隻則在巴西 Natal。
這些計畫的結暗示未來的可能性：連接多個腦袋以形成研究者所謂的「有機體電腦（organic computer，器官電腦）」，那允許在動物群組間共享運動（motor）與知覺（sensory）的資訊。這項研究發表在 2013/02/28 的 Scientific Reports 上。
"我們先前的腦機介面（brain-machine interfaces）研究已使我們相信，大鼠腦部比我們先前所認為的更具可塑性，" Miguel Nicolelis, M.D., PhD 表示，這篇論文的領導作者，Duke 大學醫學院神經生物學教授。"在這些實驗中，大鼠腦部能輕易採納來自體外裝置的輸入，甚至學會如何處理由一個人造感應器所產生的不可見紅外光。所以，我們要問的問題是：「若腦部能同化（assimilate，吸收）來自人工感應器的訊號，那它是否能同化來自不同身體之感應器的資訊輸入？」"
為了測試此假設，研究者首先訓練一對大鼠來解決一個簡單的問題：當拉桿上方的指示燈亮起，按下正確的拉桿，將報以二隻老鼠一口水。他們接著透過插入負責處理運動資訊之皮質（cortex）區域的微電極陣列，連接二隻動物的腦袋。
二隻囓齒類動物的其中之一，被設計成「編碼器（encoder）」動物。這隻動物接收到某種視覺線索，那以獲得水報賞作為交換，顯示哪個拉桿被按下。一旦這隻「編碼器」大鼠按下正確的拉桿時，一份其腦部活動的樣本（內含其行為決策的編碼），將被翻譯成某種電刺激的模式，那接著直接被傳遞到第二隻大鼠，稱為「解碼器（decoder）」動物，的腦中。
在解碼器大鼠的腔室內有相同類型的拉桿，但牠並沒有接收到任何視覺暗示，告訴牠該按下哪個拉桿以獲得報賞。因此，為了按下正確的拉桿以獲得牠渴望的報償，解碼器大鼠將倚賴經由腦對腦介面、傳輸自編碼器的線索。
研究者接著進行試驗，以測定解碼器動物對來自編碼器大鼠的、選擇正確拉桿之腦部輸入的解碼能力有多好。解碼器大鼠最後終於成功達到約 70% 的最大成功率，只比研究者理論化所能達到的 78% 的最大成功率（基於直接將訊號送入解碼器大鼠腦中的成功率）稍微少了一點。
重要的是，這種腦對腦介面所提供的「通訊」是雙向（two-way）的。例如：如果解碼器大鼠做了錯誤的選擇，編碼器大鼠並不會得到完整的報償。這種獨特偶發事件（peculiar contingency）的結果，Nicolelis 表示，導致這對老鼠間「行為性合作（behavioral collaboration）」的建立。
"我們看到，當解碼器大鼠承認某一錯誤時，基本上編碼器的腦功能與行為都會改變，使其「夥伴」更容易做對，" Nicolelis 表示。"編碼器改善其代表此決策之腦部活動的訊噪比，使得訊號更清晰且更容易偵測。而那達成一個更迅速、明確的決定，來選擇按下正確的拉桿。不變的是，當編碼器進行這些適應時，解碼器會更常做出正確決策，故牠們都能獲得更好的報償。"
在第二組試驗中，研究者訓練一對大鼠利用牠們的觸鬚來區分開孔的寬窄。若此開孔為窄，牠們被教導用鼻子戳一個位於腔室左側的出水口以獲得報償；至於寬開口，則需要戳右邊的出水口。
研究者接著將大鼠分成編碼器與解碼器。解碼器被訓練成將「刺激脈衝」與「左側報償戳」關聯成正確的選擇，而且缺乏「右側報償戳」的脈衝是正確的。
在訓練期期間，編碼器偵測開孔寬度，並將選擇傳送給解碼器，解碼器的成功率約為百分之 65，明顯高於隨機。
為了測試腦對腦通訊的傳輸限制，研究者將編碼器大鼠置於巴西的 Edmond and Lily Safra International Institute of Neuroscience of Natal (ELS-IINN)，並將其腦訊號透過 Internet 傳輸到位於北卡 Durham 的解碼器。他們發現二隻大鼠仍可一起完成這個觸覺辨識（tactile discrimination）任務。
"所以，即使這些動物處於不同的大陸，那導致傳輸雜訊與訊號延遲的結果，牠們仍可溝通，" Miguel Pais-Vieira, PhD 說，博士後研究員以及本研究第一作者。"這告訴我們，要創造一個可行的、分散在許多不同地點的「動物腦網路」是有可能的。"
Nicolelis 補充道："這些實驗證明，在大鼠腦部間建立一個精密、直接通訊連結的能力，且解碼器腦袋的運作如同一部圖案識別（pattern-recognition）裝置。故基本上，我們正在創造一部能解謎的有機體電腦。"
"但在此例中，我們並沒有輸入指令，只有代表編碼器所作決策的訊號，那被傳輸到解碼器的腦袋 -- 那得要找出如何解開這個謎題。故我們正創造由二隻大鼠腦部所組成的單一中樞神經系統，" Nicolelis 說。他指出，理論上，這樣的系統並不限於一對腦袋，而是能包含一個由腦部組成的網路，或稱為「brain-net」。 Duke 與 ELS-IINN 的研究者現在正以合作的方式連結多個動物以解開更複雜的行為性任務。
"我們無法預測，當動物成為某個 brain-net 的一部份，並開始互動時，會出現什麼樣的浮現特性（emergent properties）。理論上，你能想像，一個腦部的結合能提出無法靠個別腦袋辦到的解決方案，" Nicolelis 說。這樣的連接有可能還代表著，某個動物將與另一個的「自我」意識（sense of "self"）合作，他說。
"事實上，在這些實驗中，我們的解碼器大鼠之知覺皮質研究證明，解碼器的腦袋開始在其觸覺皮質中呈現的不只有牠自己的觸鬚，還包括編碼器大鼠的。" 我們偵測到皮質神經元對這二組觸鬚起反應，意思是大鼠在牠自己（的意識）之上創造出「第二個身體」的二次呈現。（which means that the rat created a second representation of a second body on top of its own.）" 這種適應力的基礎研究將能導致一種新的領域，Nicolelis 稱之為「社會互動的神經生理學（neurophysiology of social interaction）」。
（研究者）實驗室能同時從 2000 個腦細胞紀錄腦訊號的能力，使如此複雜的實驗成為可能。研究者希望能在未來五年內，能紀錄同時由 10-30,000 個皮質神經元所產生的電氣活動。
如此龐大的腦紀錄將使得運動神經義肢（motor neuroprostheses）-- 例如 Walk Again Project 所開發的那些 -- 的控制更加精確，以恢復癱瘓人們的運動控制，Nicolelis 說。
Walk Again Project 最近獲得來自 FINEP（巴西的研究資助單位）的 2 千萬美元補助金，使得第一個腦控全身外骨骼（brain-controlled whole-body exoskeleton ）的開發得以進行，那旨在恢復嚴重癱瘓病患的行動力。這項技術的第一個展示預計在 2014 於巴西舉行的世界盃足球賽的開幕賽上亮相。
※ 相關報導：
＊ A Brain-to-Brain Interface for Real-Time Sharing of Sensorimotor Information (本論文開放存取)
http://www.nature.com/srep/2013/130228/srep01319/full/srep01319.html
Miguel Pais-Vieira, Mikhail Lebedev, Carolina Kunicki,＊ 人腦植入電極科學家盼讀夢
Jing Wang, Miguel A. L. Nicolelis
Scientific Reports 3, Article number: 1319
Published 28 February 2013
doi: 10.1038/srep01319
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