关于大脑记忆芯片的研究

1关于大脑记忆芯片的研究昆明市第三中学高艺菁刘捷倪钢摘要：随着人类文明的不断前进，各个自然及人文学科的内容不断向更宽、更深处发展。知识与信息的数量也增加到了一个恐怖的程度。一个人需要穷尽一生的时间来接受教育，除了学会理解、分析、判断、实践等技能之外，大部分时间是在记忆各种有用没用的所谓知识。如果将能存储大量信息的记忆芯片植入大脑，并能顺利实现芯片与大脑之间的信息交互，将会大大减少人们记忆知识的时间，加速人类社会进步的步伐。本研究报告主要探讨大脑记忆芯片的可行性以及相关问题。关键词：生物芯片，记忆，大脑，植入，信息交互，信息传输通道（一）前言：1.相关背景（1）关于生物芯片生物芯片技术虽然还不成熟，但拥有巨大的潜力，处在快速发展阶段生物芯片从上世纪90年代开始发展，一直属于尖端科学，同样参与了人类基因组的我国在这方面没有落后，出现了不少研究生物芯片的厂商和科研机构，并在国际上有了一定的影响。我国生物芯片研究始于1997-1998年间，在此之前生物芯片技术在我国还是空白。尽管起步较晚，但是我国生物芯片技术和产业发展迅速，实现了从无到有的阶段性突破，并逐步发展壮大。截止到2006年，我国生物芯片的产值已达到2亿多元，生物芯片研究已经从实验室进入应用阶段。据有关资料表明，在市场销售方面，2004年国内市场分额为2亿元，约占全球市场的2％左右。其中主要由863计划支持的几家国内企业出售的生物芯片以及提供的相关服务累计销售收入约1.1亿元人民币，所有代理国外产品及服务总计为9000万。“十五”期间，国家“863”计划重点组织实施了“功能基因组及生物芯片研究”重大专项，对生物芯片的系统研发给与了倾斜性支持。从2000年开始，国家还陆续投入大笔资金，建立了北京国家芯片工程中心、上海国家芯片工程中心、西安微检验工程中心、天津生物芯片公司、南京生物芯片重点实验室共五个生物芯片研发基地，为加强我国在这一新兴高科技领域的自主创新和产业化能力奠定了坚实的基础。目前，生物芯片产业在我国已初见端倪并初具规模，形成了以北京、上海两个国家工程研究中心为龙头，天津、西安、南京、深圳、哈尔滨等地近50家生物芯片研发机构和30多家生物芯片企业蓬勃发展的局面。到2006年为止，我国已有500余种生物芯片及相关产品问世，从2002到2005年累计销售额近2.5亿元，10余个芯片或相关产品获得了国家新药证书、医疗器械证书或其他认证，并已实现产业化生产。（2）关于知识爆炸知识的增长速度越来越快，一个人要掌握一门学科所需时间越来越长。1944年，美国威斯利大学图书馆管理员Ryder对美国主要大学图书馆藏书量做了统计，发现自18世纪以来，它们的藏书量平均每16年翻一番。比如耶鲁大学18世纪初藏书量为1000册，那么1938年其藏书量应该为260万册，这与实际情况吻合。美国学者Price进一步明确地指出科学文献增长呈现出指数趋势，在1961年出版的《巴比伦以来的科学》中，Price根据自己对大约30种科学文献的统计分析结果，得出结论：“看起来没有理由怀疑日益增长的科学文献是按指数增长的，大约10到15年增长一倍”。22．当前社会对该课题的研究状况（1）大脑芯片技术在科学家的不断努力下，如今已研制出了世界上首个记忆植入体的原型，它是模仿人类大脑海马体——形成记忆的关键部位——制造的。这种电子芯片能够取代受损的神经细胞，其原理和人体假肢、促进听力的人造耳蜗类似。尽管这一研究只能复制1分钟左右的大脑活动情况，电子芯片大约只能模仿不到1.2万个神经细胞的活动，而一个人的大脑中共有1000亿个神经细胞。但是，人们纷纷表示，即便只能模仿如此少量的细胞活动，也是神经工程学领域的惊人成就。神经工程学这种边缘学科似乎离普通人的生活很远，但是这一研究将在医学和治疗学方面发挥极大的作用。一个能够恢复记忆细胞的机器将改变脑疾患者的生活，并且将病患家属从繁重的看护工作中解脱出来。（2）“大脑之门”技术“大脑之门”芯片由96个电极组成，它被植入于患者脑部的运动皮层区（该区域是控制身体活动的中枢）。它能获取神经细胞发出的信号，并依据大脑运动皮层区不同区域的兴奋状态大致辨别出这些信号的意思，将其传导到电脑控制系统中，从而帮助患者通过电脑来完成简单动作。一名四肢完全瘫痪的患者借助“大脑之门”，可以通过思维自如地移动电脑光标、打开电子邮件、调节电视音量甚至活动机械手臂。“大脑之门”的研究，并不是芯片植入的终极目标，科学家希望可以研制出一种双向芯片，像真正的大脑细胞那样既能生产信号也能接收信号。如今，科学家的研究和“大脑之门”有些相似之处，两者都是将大脑信号转换为能够被计算机所了解和破译的编码。但是，现在的研究相对来说难度更大。在“大脑之门”技术方面，思想和机器的联系是单向的，使用者可以告诉电脑怎么做，但是电脑不能向使用者发出信息。现在的大脑芯片则是双向的，研究者模拟大脑功能以及模仿大脑内部语言，每个细胞之间通过电流脉冲“交谈”，信息内容决定于电流脉冲的持续时间和频率。通过大脑细胞的这些“交谈”，人们才能估量房间里物体之间的距离，并且顺利地绕过他们。过去4年来，伯杰小组的成员一直尝试改良，希望能够将上述方程式转化为电子脉冲。研究者还要尽量减少电子晶体管工作时产生的热量，以免烧坏周围健康的大脑细胞。电子芯片的样板比羽毛还轻，能够模仿100个神经细胞的工作，单独接收、分析来自大脑组织的信号，然后将之转为数码信号，再向旁边的另一个神经细胞发送这个信号。日前，研究者正在进行一个更为复杂的试验，观察电子芯片在一个药物导致失忆的老鼠脑部发挥的作用。从现在的情况来看，如果能够达到上文提到的大脑切片那样的反应效果，那将是一个里程碑式的时刻。据预测，对人类使用芯片取代受损的记忆细胞的临床试验在15年内就可实现。（3）凯文·沃里克：一半是机器一半是人沃里克最初是因在自己身上做实验而出名：通过手术把芯片收发器等仪器植入身体的皮下组织。沃里克说：“作为人我甚至开始享受其中的乐趣。但作为电子人我仍有大量工作要做。”1998年，沃里克在电子人研究方面迈出了第一步，也是重要的一步。沃里克在自己的胳膊里植入一块芯片。这样，沃里克只要穿过所任教的雷丁大学走廊，就可以用芯片来控制房间的灯和门。2002年，一块有100个电极的芯片植入沃里克手腕，并植入电线，连接到电脑。当他想要抓紧拳头时，大脑的电子信号就会通过神经系统，经手腕传到手掌。晶片电极与神经细胞有所接触，所以也会接收到大脑的电子信号。晶片把信号传给电脑，电脑记录和分析这个信号，而且复制出同样信号，然后传给机械手，机械手做出抓紧拳头动作。沃里克的妻子伊琳娜也在手腕里植入晶片，以尝试在人与人之间进行电子信号转移。当他抓紧拳头时，伊琳娜也会做出同样的动作，反之也一样。沃里克宣称他将成为世界上第一位电子人——半人半机器。他计划在10年左右的时间内把电极植入自己的大脑。在《我是电子人》一书中，沃里克想像未来50年大多数人的大脑将通过全球计算机网络连接在一起。33．我们对大脑记忆芯片的认识（1）学习和记忆是脑的高级功能之一。学习是神经系统不断地接受刺激，获得新的行为、习惯和积累经验的过程。记忆则是将获得的经验进行贮存和在线。学习和记忆相互联系，不可分割。（2）学习和记忆涉及脑内神经递质的作用以及某些种类蛋白质的合成。短期记忆主要与神经元的活动及神经元之间的联系有关，尤其是与大脑皮层下一个形状像海马的脑区有关。长期记忆可能与新突触的建立有关。（3）大脑皮层具有独特的电活动。它既有连续的节律性电位变化，又有优于感受器收到刺激而产生的局部高电位变化。大脑皮质连续的节律性称为自发脑电活动，它的记录称为脑电图。脑电流很微弱，在真空管放大器发明以前是无法记录得到的。4．理想大脑记忆芯片和与理想状况的差距理想的大脑记忆芯片首先方便植入、移除、更换。能储存极大的知识量，并与大脑进行高效信息交互。具有一定的分析处理能力，能识别、处理神经元传递的电信号并将信息以电信号的形式反馈给大脑。目前在世界上已经有将芯片植入人脑的案例，但所植入芯片的功能仅仅是接受或发出简单的电信号，并且稳定性、安全性无法保证。距理想情况仍有很大差距。5．问题的提出随着人类社会的进步，人类社会的知识总量越来越大，我们需要记忆的知识也越来越多，比较理想的情况是我们能将所有的知识都永久的记住，但是实际生活中，由于受到时间、精力和遗忘的制约，我们仅能记住的很小一部分的知识。当然，曾经也有部分科学家，尝试解决知识记忆的问题，但都是收效甚微，难以取得实质性效果。因此，我们有必要对人脑记忆和生物芯片进行认真分析，寻找一种能存储大量知识的生物记忆芯片，从而减小或消除人类记忆的负担，实现缩短学习知识的时间，从而解决人类知识教育的问题，为人类留出更多的时间和精力来应用知识，来创造知识。6．主要概念解释（1）芯片就是IC，泛指所有的电子元器件，是在硅板上集合多种电子元器件实现某种特定功能的电路模块。它是电子设备中最重要的部分，承担着运算和存储的功能。集成电路的应用范围覆盖了军工、民用的几乎所有的电子设备。（2）生物芯片定义1：一种芯片技术，即借助微加工和微电子技术。将大量已知序列的核酸或蛋白质片段有序地组合在一个微小基片表面,通过与标记的核酸或蛋白质分子进行反应，分析待检标本的相应成分。定义2：广义的生物芯片指一切采用生物技术制备或应用于生物技术的微处理器。包括用于研制生物计算机的生物芯片、将健康细胞与电子集成电路结合起来的仿生芯片、缩微化的实验室即芯片实验室以及利用生物分子相互间的特异识别作用进行生物信号处理的基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片等。狭义的生物芯片就是微阵列，包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片等。定义3：广义的生物芯片指一切采用生物技术制备或应用于生物技术的微处理器。包括用于研制生物计算机的生物芯片，将健康细胞与电子集成电路结合起来的仿生芯片，缩微化的实验室即芯片实验室以及利用生物分子相互间的特异识别作用进行生物信号处理的基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片等。狭义的生物芯片就是微阵列，包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片等。4（3）记忆记忆是人类心智活动的一种，属于心理学或脑部科学的范畴。记忆代表著一个人对过去活动、感受、经验的印象累积，有相当多种分类，主要因环境、时间和知觉来分。在记忆形成的步骤中，可分为下列三种信息处理方式：1.译码：获得信息并加以处理和组合。2.储存：将组合整理过的信息做永久纪录。3.检索：将被储存的信息取出，回应一些暗示和事件。（4）开颅手术开颅手术，亦称穿颅术，是颅骨外科手术的一种，指通过机械设备打开患者颅骨，从而进行一些非常规治疗，由于开颅手术的高风险性，例如医生的失误操作导致患者脑损伤，这个手术本身也备受争议。然而对于一些特殊疾病，如帕金森病、癫痫等，实施开颅手术还是很有必要。（二）研究方法及步骤1.本研究的主导思想记忆芯片重在解决人类教育的大问题。知识性问题由记忆芯片来解决，人类才有时间与精力去从事知识的应用和创新。2.本研究的依据（1）问题研究的重要性随着自然科学知识在短时期内的高速增长，人类社会进入了一个“信息爆炸”时代。有人综合计算,全世界的知识总量,七到十年翻一番。各个学科领域的知识越来越多、越来越深、越来越广当前人类社会的知识总量，已经增长到了一个非常恐怖的程度，我们可以这样来看，一个婴儿出生，要经历幼儿园3年，小学6年，初中、高中6年，大学4年……我们花费了太多的时间用于学习知识，人生最精华的时光都没有用于知识的应用和知识的创造，若能改变这一情况，将会给整个人类社会带来巨大的变革，甚至加速人类文明的前进步伐。（2）问题研究的依据人脑中有2千亿个脑细胞、可储存1千亿条讯息，思想每小时游走三百多里、拥有超过1百兆的交错线路、平均每24小时产生4千种思想，是世界上最精密、最灵敏的器官。研究发现，脑中蕴藏无数待开发的资源，而一般人对脑力的运用不到5%，剩於待开发的部分是脑力与潜能表现优劣与否的关键。人的脑部构造分为大脑与小脑。大脑由大脑皮质(大脑新皮质)、大脑边缘叶(旧皮质)、