侵入式脑神经信号监测与调控技术研究进展

脑科学研究是当今自然科学面临的一项重要挑战.大脑是人体的神经枢纽,控制着人体的各项生理活动.脑神经信号监测与调控技术能够建立大脑与外部设备之间的信息连接通路,从而实现对大脑中信息的读取以及对脑活动的控制,因此在疾病诊疗、军事、教育、娱乐等领域具有广阔的发展和应用前景.尽管目前脑神经信号监测与调控技术已经取得一定成果,但对于侵入式脑信号监测与调控技术的研究仍处于起步阶段.本文简要介绍脑神经信号监测与调控技术的基本原理,从信号获取、调控手段和电极制备等关键技术角度阐述侵入式脑信号监测与调控技术的国内外研究现状,讨论其面临的信号质量、调控准确性和生物安全等方面的挑战.最后,展望该技术在脑机接口等前沿领域中的应用前景.     

大脑的自我"修复"能力

大脑是人体中最为精密、复杂的重要器官,多达200亿个细胞.一个人大脑所包含的神经纤维数量,要比整个国际电信网络所有的电缆数量还多.这些纤维的功能就像电缆一样,负责发出化学信号,并帮助细胞间交换信息.以前人们一直认为,由于疾病或意外伤害而造成的永久性脑细胞或脑神经元损伤,会造成该部分脑功能的丧失.但据2008年8月12日有关媒体报道:英国格拉斯哥大学的科学家经研究最新发现,许多病人不仅因大脑的自我"修复"可重新恢复健康,而且在有些人身上还会发生意想不到的奇迹.     

大白鼠脑活体(in vivo)和在体(ex vivo)核磁共振定域谱分析

在 2 0 0MHz水平宽孔核磁共振成象谱仪上对大白鼠大脑进行了单体元的空间定域波谱分析 .质子定域谱由双自旋回波 (PRESS)脉冲序列完成空间定域 ,用化学位移选择激发 (CHESS)和魔角相散梯度的组合序列进行水峰抑制。比较了不同回波时间TE对定域谱信号的影响。并进一步将活体定域谱和同一只大白鼠死亡不久的大脑相同区域的核磁共振定域波谱进行比较。实验结果表明 ,短TE脉冲序列得到的定域谱信号比长TE得到的谱信号丰富 ,但几个主要信号峰的谱分辨稍差。而在死亡的大白鼠大脑的定域谱中 ,出现了活体谱中见不到的乳峻信号峰。除了乳酸峰之外。存活和死亡的大白鼠之间它们的大脑定域谱没有明显差别 ;另一方面 ,TE对定域谱的影响也与大白鼠的存活和死亡的状态几乎无显著关系。     

动态点击

<正>在一项最新的研究中,美国神经系统科学家利用光线控制神经活跃性,通过激活控制强迫性行为的大脑回路,成功阻止了老鼠的强迫性行为——梳理毛发。研究人员发现,具有强迫性行为的老鼠大脑中,都有一种名为Sapap3的基因,其基因蛋白质代码存在于大脑纹状体神经突触中,该大脑部分与沉溺和重复性行为问题有关。同时,他们发现Sapap3基因具有光敏性,可通过光线进行控制。这项研究结果不仅将有助于科学家研制新型强迫症的治疗方案,还能帮助研究人员识别具有强迫行为信号特征的大脑活跃类型,拥有更精确的时间实现深度大脑刺激。     

为大脑做体检的神奇感应器

摸摸你的头顶,扣扣你的手指,就能知道你的大脑健康状况.你是不是觉得这有些神奇,或许又是哪个"气功大师"在玩弄忽悠人的把戏.其实,新的科技完全能够创造出这样神奇的技术.韩国研究人员就开发出了能够检查神经信号的发带、戒指感应器.     

听古典音乐能提高记忆力吗?

有研究显示音乐是由右侧大脑加工处理的,而另一些研究则认为左脑也很重要.通过脑电图记录大脑活动显示:左右大脑均对音乐起反应.     

电子秤称的是质量吗

电子秤作为杆秤的替代工具,不少人认为它是称质量的。我们通过对电子秤的工作原理研究,了解到电子秤的受力部位是传感器,所以电子秤实际上应是测力的工具。传感器的作用与人的感官类似,如图所示,人通过感官接受外界的信号,并将这些信号传给大脑,大脑对     

自然信息

研究发现男女使用大脑不同 一些美国科学家运用一种新方法有效地研究大脑的瞬间反应,首次找到确凿证据证明男性和女性在使用大脑上的区别.     

嗅觉新探

人类的嗅觉器官是一个进化的杰作,许多物质的气味它都能辨别,尽管人们对它从事研究,但对于嗅觉的认识仍还是一个谜,如邮票大小的一块嗅觉组织是怎样将化学刺激信号传入大脑的呢?当气味中的分子进入嗅觉细胞膜上的纤毛,该组织的感受器上有一种特殊蛋白质.近来研究认为每种气味都可结合和刺激细胞,包括分辨不同气味种类的感受器.     

社会经济地位对大脑结构与功能的影响

社会经济地位(socioeconomic status, SES)与大脑结构和功能的关系对于理解社会经济因素对心理行为的影响以及预防大脑和心理疾病具有重要意义.在过去十多年中,研究者使用认知神经科学的方法对SES与大脑的关系进行了探索,发现SES与大脑结构和功能之间可能存在相关性,但这些研究的结果却不完全一致.本文从大脑结构与功能两个层次出发,按照认知与情绪两大主题对SES与大脑关系的认知神经科学研究进行回顾,在此基础上对比不同研究结果的异同之处.结果发现:(1)在脑结构上, SES水平与海马体(主要负责记忆)、前额叶(参与执行功能等高级认知过程)及皮层下结构(主要包括参与情绪加工的杏仁核等结构)可能存在相关;(2)在脑功能上,不同SES水平的个体在进行执行功能、学习和记忆等相关任务时,大脑活动模式可能存在差异,同时正性与负性情绪刺激所引发的大脑活动在不同SES水平的个体上可能有所差异.值得注意的是, SES与大脑关系的研究中还面临着诸多挑战,如SES测量的复杂性和全面性、大脑结构与功能自身发展和测量的复杂性、SES影响大脑机制的多层次性等.未来的研究需要应对上述的挑战,同时考虑文化差异等影响,从而能够更准确地理解SES与大脑的关系,并为中国社会治理政策提供指导.     

大脑9大谜

人类大脑拥有世间万物最为复杂的结构,令人惊叹。科学家正利用大脑成像技术、遗传学和干细胞研究等现代科技手段揭开大脑的诸多未解之谜。本文介绍大脑神经科学热门研究课题的一些最新发现.     

大脑如何表征情绪:基于fMRI的多变量模式分析证据

不同的情绪状态如何在大脑中表征?学术界存在两种主流观点:类别取向主张大脑按照愤怒、厌恶、快乐等类别表征情绪,每种情绪具有特异的大脑表征模式;维度取向主张大脑按照效价与唤醒度两种维度表征情绪,具体情绪由效价和唤醒度两个基本维度构建形成.然而,传统单变量激活研究很难发现情绪在大脑中的特异性表征.随着功能磁共振分析方法的发展,研究者开始采用更为敏感的多变量模式分析研究大脑如何表征情绪.本文首先介绍了传统单变量激活分析的局限以及多变量模式分析方法的优势,然后分别介绍近年来基于多变量模式分析方法对情绪表征的研究并总结多变量模式分析方法对传统情绪理论发展的意义,最后探讨情绪表征未来可能的研究方向.     

“电子人”将成现实

正据国外媒体报道,美国军方正在开展可植入人脑设备的相关研究,或许若干年后,人类大脑有望实现与计算机的直接对话。2016年1月,美国军方为该项目投资620万美元,作为其"神经工程系统设计"项目的一部分。据悉,这种可植入设备体积非常小,不超过1立方厘米,它可将大脑中的神经元转换成电子信号,形成前所未有     

大脑3D透视图涵盖所有基因组

不久前,美国科学家绘制了一个交互式综合"大脑图谱",并已上传到网上(网址为http://human.brain-map.org),以便帮助世界各地的科研人员开展神经学研究人类染色体组里有超过2万个基因,大约84%活跃在人类大脑中。为了绘制这一图谱,科学家对3位男性死者捐赠的大脑切成小块后逐一进行扫描,记录下2万个基因的活跃水平。他们的下一个目标是扫描一位女性的大脑,看看其与男性大脑有什么不同这一由美国西雅图艾伦脑科学研究所绘制的大脑图谱,旨在希望其他研究人员把他们通过大脑扫描和遗传研究获得的发现与之进行比较,以     

科学用脑四要点

提倡科学用脑。大脑像一架高效率的自动化机器，工作到一定时间就会出现疲劳，这是大脑皮层防止过度消耗而发出的信号，提示你应该休息了。如果你经常不顾这个信号，毫无节制地过度用脑，势必使神经细胞能量消耗过多，大脑这架机器过度“磨损”而发生故障，结果往往是欲速而不达，     

美医学家惊曝秘闻爱因斯坦大脑被切成240块

爱因斯坦于1955年去世,死后他的大脑被人取出,之后下落不明.爱因斯坦大脑的下落,以及这颗堪称史上最聪明的大脑到底有何过人之处,成为20世纪最传奇的谜团之一.50年后,当初被指控窃取爱因斯坦大脑的美国病理学家托马斯哈维首次接受专访,彻底曝光整个事件的绝对内幕.最令人震惊的是,如今91岁高龄的哈维称,为了方便研究,他竟将爱因斯坦大脑切成了240块!     

迁徙鸟类如何发现其迁移路线?

迁徙鸟类的导航是一个相当复杂的过程,涉及鸟类对环境的感受、神经生理反应、自由基对的化学反应等多种机制.鸟类之所以能准确地找到其迁徙路线,外界信号感受与神经处理机制的共同作用至关重要.外界信号感受是迁徙鸟类对信号因子(偏振光、气味、次声波、地磁场等)的识别过程.可能存在的信号感受有视觉感受、嗅觉感受、听觉感受、地磁感受.神经机制是迁徙鸟类感受到外界信号后,传递信息到大脑特定区域,进行整合分析,对迁徙方向做出准确判断的过程.已发现的神经机制有视觉神经机制、嗅觉神经机制、磁感受神经机制.尽管在外界信号感受与神经机制方面还有许多未解决的难题,新技术与模式动物的应用将有助于进一步揭示确切的机制.     

脑机接口的物理学

<正>西德尼·珀科维兹深入浅出地介绍研究人员为研发更安全、更耐用、惠及更多人群的脑机接口所做的诸多前沿工作。人类大脑是一种复杂到惊人的机器。人类大脑皮层拥有800多亿个神经元,每个神经元又有1000个突触。我们的大脑每秒大约要处理100兆比特的信息。想象一下,要是在我们思考的时候,尝试实时测量、提取并解释我们大脑中的所有信号,会是什么场景？记录大脑曾经只是科幻小说和电影——比如《X战警》（X-Men）和《黑客帝国》（The Matrix）——才有的情节,但现在,我们真的有可能把大脑同计算机连在一起,并且通过这种系统控制机械手臂,或者把你脑海中的想法记录下来。     

视点

仿生手世界上首只具备真实触感的仿生手被移植到截肢病人身上。在此之前,义肢技术已经发展到令人工肢体按照大脑发出的信号作出相应的动作的水平,但它们依然不能传递触摸的感觉。对此,来自瑞士的研究人员     

脑神经活动光学显微成像技术

大脑包含数亿至数千亿的神经元以及更为复杂的神经突触连接网络,是生物体中最复杂的器官.脑科学是21世纪以来最重要的前沿新兴学科之一,它的兴起标志着人类在认识自我、探索智慧和意识的本质中进入了一个新时代.在活体中对大脑神经活动进行长时间、大视野、高时空分辨率的观测,是解析大脑功能的关键.光学显微成像技术以其时空分辨率高,光学探针的特异性和多样性等优势,成为了脑神经活动研究的重要工具.针对大脑的高度散射、高速神经信号传递、超大神经元规模、精细突触连接结构等特性以及自由活动动物的脑神经活动观测需求,本文将从超深、超快、大视场、超分辨、微型化5个发展方向,概述包括多光子、红外二区、光声、光片、结构光以及自适应光学在内的多种光学显微成像技术在脑神经活动显微观测领域的发展进展及前沿动态,并展望脑神经活动光学显微成像技术的未来发展方向与前景.