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老鼠的大脑只有我们人类的拇指尖大小,但一项最新研究发现,老鼠和人类一样,也有想象力。它们会用想象,让自己置身于之前探索过的空间,或将远处的物体移动到某个特定位置。研究者相信,这项成果未来在临床和基础研究上都有巨大的用途。 

撰文 | 望乡

“想象能力对人类社会至关重要,几乎所有的发明都发生过两次,第一次在想象中,第二次在现实中。”赖崇曦告诉《返朴》。

作为霍华德·休斯医学研究所(HHMI)的博士后,此时的他本该异常兴奋。因为他刚以第一作者身份,在11月2日的Science杂志发表论文,揭开了一个颠覆认知的秘密:和人类一样,老鼠也有想象力。它们会用想象,让自己置身于之前探索过的空间,或将远处的物体移动到某个特定位置。

论文发表页面

这种想象远离当前所处地点的能力,是记忆过去事件和想象未来可能情景的基础。

“现在,我们发现动物也能做到这一点,而且我们找到了研究它的方法。”阿尔伯特·李(Albert K. Lee)说,他曾是HHMI 位于Janelia研究园区的课题组长,现为贝斯以色列女执事医疗中心的HHMI研究员。

前英国首相商业、能源和工业战略特别顾问詹姆斯·菲利普斯(James W. Phillips)不吝对这项研究给予超高评价,“这是我所见过的神经科学领域最令人印象深刻的工作之一。我认为这项技术具有惊人的潜力,可以成为元科学机构实验的焦点。”他曾是赖崇曦在英国剑桥大学读博时的同学。

赖崇曦本人则略显波澜不惊,“这项研究时间很长,一共花了差不多8年时间,现在结果出来了,却感觉没有那么兴奋了。”但他很感谢“老板”所给予的足够支持和耐心,毕竟,“碰上有些老板等不了,研究可能就砍掉了”。两位“老板”也是这篇论文的通讯作者,其一是阿尔伯特·李,另一位是HHMI的课题组长兼高级研究员蒂莫西·哈里斯(Timothy D. Harris)。

刻板印象:老鼠没有想象力

老鼠的大脑确实比我们小得多,大约只有我们的拇指尖大小。以至在上个世纪,许多科学家仍然认为老鼠大脑只是简单的刺激-反应系统。

在20世纪初期,行为主义在心理学和生物学领域占据了显著地位。这种理论的核心思想是,生物个体的学习和行为主要是通过对奖励和惩罚的反应来驱动的。行为主义者认为,个体通过对环境中的刺激做出反应,并根据这些刺激的后果(奖励或惩罚)来调整其行为。换句话说,行为主义理论强调的是外部刺激与响应之间的关系,认为这是行为形成的主要机制。

对此,美国加州大学伯克利分校教授爱德华·托尔曼(Edward Tolman)却不以为然。他在1948年发表了Cognitive maps in rats and men,提出了一种被称为“认知地图”的概念,认为人和动物在探索环境时,会在大脑中形成一种对外部世界的心理表征,这些表征构建出心理模型来指导其行为。

换句话说,即使没有奖惩机制,生物体的大脑仍然储存了对环境的信息,并且进行了建模。

1971年,美国科学家约翰·欧基夫(John O'Keefe)为托尔曼的理论找到了在大脑细胞活动层面上的实据。他在老鼠大脑的“海马体”区域发现了一种特殊的,用来表征空间位置的神经细胞。

实验过程是这样的。他把电极记录器植入老鼠大脑的海马区,然后让老鼠在一个陌生的房间自由走动。当老鼠走到一个特定的位置时,脑中编码这个位置的细胞放电的频率就会上升。欧基夫将这些细胞命名为“位置细胞”(Place cell),不同的位置细胞都对应着某个特定的位置,它们在大脑中形成了关于环境的地图。因为这项发现,欧基夫获得了2014年的诺贝尔生理学与医学奖。

在人类的海马体严重受损后,就会同时丧失回想过去和想象未来的能力,许多类似患者的病例研究都验证了相同的情况。其中最著名的一篇论文,是德米斯·哈萨比斯(Demis Hassabis)及其导师在2007年发表的。后来哈萨比斯转向产业界,创立了人工智能公司DeepMind,引领了当下的这波AI革命。

话说回来,这种人类在心理上将自我投射到过去,重新经历过去的事情;以及把自我投射到未来,预先经历未来事情的能力,有个专有名词——心理时间之旅(mental time trave)。这是一种特定类型的想象,它跟时间、地点、人物、事件等记忆是紧密相连的。

那么,老鼠会不会有心理时间之旅呢?

其实在显微镜下,啮齿动物和灵长类动物的脑组织非常相似,需要经过训练的眼睛才能分辨出来。

而且,神经科学家以前曾解码过啮齿动物大脑发出的信号,发现它们并不纯粹是对感觉或移动指令的反应。例如当老鼠处于特定位置时,其对应的位置细胞变得活跃。科学家可以通过记录位置细胞的活动,来确定它们的位置。

但是,对大多数人来说,仅仅知道自己在哪里并不符合“想象”的标准,因为想象的内涵要超越眼前的情境。而且直到2010年,灵长类动物研究人员仍然声称老鼠缺乏“认知”。

没有人有确凿答案。

赖崇曦想研发出一种动物模式来系统性地研究:如果老鼠能够不去特定位置,仅靠想象自己去往了特定位置,也能激活相应的位置细胞,那这种行为就非常接近于人类的心理时间之旅。

读取“思维”

2014年8月,赖崇曦进入剑桥大学攻读神经科学博士。彼时,他脑子里已经开始构思和设计这个实验。

2015年的一天,同窗菲利普斯和赖崇曦在湖边聊天,他第一次听到了这个项目的早期设想。他马上认为赖崇曦是他在英国遇到的同辈神经科学家中那个最聪明、最有创造力的。多年后,他写道,“当他第一次向我描述时,我觉得这就像是来自遥远未来的东西,是一个巨大的概念飞跃,需要技术的进步和发现,再加上对概念的深刻理解才能实现。”

这个实验的主要困难是,你无法告诉老鼠去想什么或做什么。你必须给它们一些暗示,比如奖励它们做某个特定的动作。这种行为训练既是一门科学,也是一门艺术。

同时,你也很难获知老鼠的“所思所想”。赖崇曦想到了一个精巧的实验设计:如果老鼠确实能够思考和想象,那么当诱导老鼠思考去某个特定地方时,就应该能够以可预测的方式记录下其所对应的位置细胞变得活跃起来。

为了探索老鼠能否做到这一点,他们采用了脑机接口(BMI)技术,通过手术将电极植入老鼠的大脑,让老鼠通过空间想象在元宇宙中穿梭。这个实验将老鼠放在360度沉浸式虚拟现实(VR)中的一个球形跑步机上,并在虚拟的世界中显示一个目标,让老鼠朝着这个目标奔跑。

当老鼠在跑步机上奔跑时,它的动作会在360度的屏幕上转换,它在VR环境中的位置也会在屏幕上同步更新——就好像老鼠在真实环境中运动一样。当老鼠到达目标位置时,它们会得到奖励(水)。然后新的目标会在VR环境中产生,重复上述过程。老鼠一周就能学会这个任务。

在最初阶段,研究小组记录了位置细胞的活动。然后,他们使用人工智能解码生物神经网络的活动,从而计算出老鼠认为自己在虚拟现实任务中的位置。

接下来,他们进行一个以电影“Jumper”命名的任务。研究小组断开跑步机,这意味着老鼠无法通过跑步达到目标。这逼迫它们只能利用大脑活动在VR环境中移动。当老鼠的大脑活动被解码为位于目标区域时,它将往那个位置移动,一旦移动到目标位置,他们会获得奖励。 

电影Jump里的意念瞬移

结果表明,这些老鼠确实可以只通过大脑活动导航到目标地点。从根本上说,老鼠利用思维导航,首先要思考它们需要去哪里才能获得奖励。这种思维过程是人类经常经历的。例如,朋友邀请你去一家熟悉的饭馆相聚,你可能在出门之前就会想象沿途要经过的地点。

不过,Jumper试验也暴露出一个问题,就是很难让老鼠完全不动。人类也有同样的体验,当你所处的环境开始飘动时,你会不由自主地想要跟着环境动,很难阻止这种冲动。就算阻止住了,大脑也会产生一些信号,形成噪音。

为了解决这个问题,崇曦设计了第二项任务“Jedi”(指绝地武士,这是对电影《星球大战》的致敬)。在实验中,老鼠本身是静止不动的,但必须仅利用大脑活动将屏幕上的物体“移动”到VR环境中的特定目标。这就像一个人坐在办公室里,想象拿起咖啡机旁的杯子并将咖啡倒满一样。研究小组随后改变了目标的位置,要求动物产生与新位置相关的活动模式。老鼠们再次完成了这项任务。

研究小组发现,老鼠可以精确而灵活地控制它们的海马体活动,这一点很可能与人类相似。一个令人惊讶的发现是,这些动物还能维持这种海马体活动,将它们的思维停留在一个特定的位置达数秒之久——这个时间范围与人类重温过去的事件或想象新情景的时间范围相似。

至此,从科学的角度,这篇论文完成了对啮齿动物认知能力最令人信服的展示。从技术发展的角度,这项工作提供了一种读取深度大脑组织(比如海马体)中抽象信号的脑机接口方法。脑机接口虽然从上世纪90年代初就开始发展,但是都局限于大脑皮层(特别是运动皮层),这是迄今为止第一次在动物的深度大脑组织中读取认知地图活动的工作。

发现与发明的循环

赖崇曦对大脑功能,特别是对“想象”异常着迷。

在很大程度上,他的兴趣受到《寻找记忆》(In Search of Memory)这本书的引导。该书由神经科学家埃里克·坎德尔(Eric Kandel)所著,书中不仅展示了他的个人生活和职业生涯,还介绍了神经科学的发展和重要发现,以及记忆的本质和意义。

关于想象力对人类的作用,赖崇曦推崇英国哲学家大卫·休谟(David Hume)的观点:所有人都可能受到想象力的支配,没有想象力,就没有社会的安排。

赖崇曦丨来源:本人提供

正是对大脑如何产生想象的好奇,驱动赖崇曦在8年多的时间里聚焦于此。

尽管赖崇曦的构想和设计十分巧妙,却苦于没有现成的海马体脑机接口工具。“这种深度组织的脑机接口根本就不存在,所以我们要做一个全新的东西。” 一个侵入式脑机接口包含三个部分,第一步是细胞大小的微电极构成的阵列,用来读取神经细胞的电信号。第二步是神经活动在线分析的工具,把原始的电信号转化为脉冲信号,正是这些神经脉冲信号在大脑中完成了对外部世界和自身思维的神经编码。第三步是解码器,解码器把来自大量细胞的脉冲信号转化为可解释的变量,比如说空间位置。赖崇曦说,他们从头构建了一个基于现场可编程门阵列(FPGA)的在线分析工具来输出神经脉冲信号,仅这一步就花费了4年时间。

发现位置细胞的欧基夫曾亲口告诉赖崇曦,他早在上世纪90年代就想要组织工程师做这个工具。但直到2016年以后,才陆续有一些可用的工具研制出来。

“我们完成的是为数不多的在线神经记录分析工具里面最先进的,精度最高的,速度最快的。也是唯一能在一毫秒内让解码器获得单个神经细胞,单个神经脉冲信息的FPGA芯片。技术指标的突破打开了诸多科学研究的可能性。深度大脑组织的脑机接口是其中的一项。”赖崇曦告诉《返朴》。

在菲利普斯看来,在传统研究中很难做到将工程与发现长期齐头并进,但赖崇曦他们的研究给出了一个很好的案例,实现了“发现与发明的循环”。当赖崇曦开始这个项目时,他把重心首先放在技术上,希望能一次记录比他开始时多一个数量级的神经元,并能在一毫秒而不是几小时内解码这些神经元的含义。同时能处理的神经元数量和精度是解码质量的关键,处理神经信号的速度越快,留给解码器的时间预算就越充分。

解码器和在线记录分析工具同样重要,常规的解码器对噪声非常敏感,这些噪声可能来自于想象本身,也可能来自于微电极在大脑中位置的微小变化。为了解决这些困难,赖崇曦使用最先进的AI算法来完成去噪的过程。在把自研的FPGA芯片应用到具体实验后,赖崇曦他们着手建立与VR的映射关系,VR编程,动物行为训练等,记录并分析数据,并在这个过程中不断优化AI解码器,这些工作又花费了4年时间才最终成文。

莱斯大学的教授Caleb Kemere 在Science杂志的观点专栏里写道:这一发现是大脑机器接口(BMI)应用从感觉运动功能到更为认知领域的激动人心的扩展,并暗示海马体活动受到意志的控制。

未来,赖崇曦希望基于这项成果,去做偏临床方向的研究。他认为所有这些工具链都可以用在人类身上。把微电极植入在深度大脑组织中,在线分析的神经活动再进行AI解码,读取抽象思维并去噪,然后根据需要对大脑或环境进行操纵。通过这类工具对大脑进行读写,这在未来是可能的。

赖崇曦相信,这套工具链在临床和基础研究上都有巨大的用途。

参考文献

[1] https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh5206

[2] https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.04.07.536077v1 

本文受科普中国·星空计划项目扶持 

出品:中国科协科普部 

监制:中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司 
  

 

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