歷時8年終發(fā)Science，他證明老鼠有類人的想象力！

老鼠的大腦只有我們?nèi)祟惖哪粗讣獯笮?，但一項最新研究發(fā)現(xiàn)，老鼠和人類一樣，也有想象力。它們會用想象，讓自己置身于之前探索過的空間，或?qū)⑦h(yuǎn)處的物體移動到某個特定位置。研究者相信，這項成果未來在臨床和基礎(chǔ)研究上都有巨大的用途。

撰文 | 望鄉(xiāng)

“想象能力對人類社會至關(guān)重要，幾乎所有的發(fā)明都發(fā)生過兩次，第一次在想象中，第二次在現(xiàn)實中。”賴崇曦告訴《返樸》。

作為霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）的博士后，此時的他本該異常興奮。因為他剛以第一作者身份，在11月2日的Science雜志發(fā)表論文，揭開了一個顛覆認(rèn)知的秘密：和人類一樣，老鼠也有想象力。它們會用想象，讓自己置身于之前探索過的空間，或?qū)⑦h(yuǎn)處的物體移動到某個特定位置。

論文發(fā)表頁面

這種想象遠(yuǎn)離當(dāng)前所處地點的能力，是記憶過去事件和想象未來可能情景的基礎(chǔ)。

“現(xiàn)在，我們發(fā)現(xiàn)動物也能做到這一點，而且我們找到了研究它的方法?！卑柌亍だ睿ˋlbert K. Lee）說，他曾是HHMI 位于Janelia研究園區(qū)的課題組長，現(xiàn)為貝斯以色列女執(zhí)事醫(yī)療中心的HHMI研究員。

前英國首相商業(yè)、能源和工業(yè)戰(zhàn)略特別顧問詹姆斯·菲利普斯（James W. Phillips）不吝對這項研究給予超高評價，“這是我所見過的神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域最令人印象深刻的工作之一。我認(rèn)為這項技術(shù)具有驚人的潛力，可以成為元科學(xué)機(jī)構(gòu)實驗的焦點。”他曾是賴崇曦在英國劍橋大學(xué)讀博時的同學(xué)。

賴崇曦本人則略顯波瀾不驚，“這項研究時間很長，一共花了差不多8年時間，現(xiàn)在結(jié)果出來了，卻感覺沒有那么興奮了。”但他很感謝“老板”所給予的足夠支持和耐心，畢竟，“碰上有些老板等不了，研究可能就砍掉了”。兩位“老板”也是這篇論文的通訊作者，其一是阿爾伯特·李，另一位是HHMI的課題組長兼高級研究員蒂莫西·哈里斯（Timothy D. Harris）。

刻板印象：老鼠沒有想象力

老鼠的大腦確實比我們小得多，大約只有我們的拇指尖大小。以至在上個世紀(jì)，許多科學(xué)家仍然認(rèn)為老鼠大腦只是簡單的刺激-反應(yīng)系統(tǒng)。

在20世紀(jì)初期，行為主義在心理學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域占據(jù)了顯著地位。這種理論的核心思想是，生物個體的學(xué)習(xí)和行為主要是通過對獎勵和懲罰的反應(yīng)來驅(qū)動的。行為主義者認(rèn)為，個體通過對環(huán)境中的刺激做出反應(yīng)，并根據(jù)這些刺激的后果（獎勵或懲罰）來調(diào)整其行為。換句話說，行為主義理論強(qiáng)調(diào)的是外部刺激與響應(yīng)之間的關(guān)系，認(rèn)為這是行為形成的主要機(jī)制。

對此，美國加州大學(xué)伯克利分校教授愛德華·托爾曼（Edward Tolman）卻不以為然。他在1948年發(fā)表了Cognitive maps in rats and men，提出了一種被稱為“認(rèn)知地圖”的概念，認(rèn)為人和動物在探索環(huán)境時，會在大腦中形成一種對外部世界的心理表征，這些表征構(gòu)建出心理模型來指導(dǎo)其行為。

換句話說，即使沒有獎懲機(jī)制，生物體的大腦仍然儲存了對環(huán)境的信息，并且進(jìn)行了建模。

1971年，美國科學(xué)家約翰·歐基夫（John O'Keefe）為托爾曼的理論找到了在大腦細(xì)胞活動層面上的實據(jù)。他在老鼠大腦的“海馬體”區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一種特殊的，用來表征空間位置的神經(jīng)細(xì)胞。

實驗過程是這樣的。他把電極記錄器植入老鼠大腦的海馬區(qū)，然后讓老鼠在一個陌生的房間自由走動。當(dāng)老鼠走到一個特定的位置時，腦中編碼這個位置的細(xì)胞放電的頻率就會上升。歐基夫?qū)⑦@些細(xì)胞命名為“位置細(xì)胞”（Place cell），不同的位置細(xì)胞都對應(yīng)著某個特定的位置，它們在大腦中形成了關(guān)于環(huán)境的地圖。因為這項發(fā)現(xiàn)，歐基夫獲得了2014年的諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎。

在人類的海馬體嚴(yán)重受損后，就會同時喪失回想過去和想象未來的能力，許多類似患者的病例研究都驗證了相同的情況。其中最著名的一篇論文，是德米斯·哈薩比斯（Demis Hassabis）及其導(dǎo)師在2007年發(fā)表的。后來哈薩比斯轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)界，創(chuàng)立了人工智能公司DeepMind，引領(lǐng)了當(dāng)下的這波AI革命。

話說回來，這種人類在心理上將自我投射到過去，重新經(jīng)歷過去的事情；以及把自我投射到未來，預(yù)先經(jīng)歷未來事情的能力，有個專有名詞——心理時間之旅（mental time trave）。這是一種特定類型的想象，它跟時間、地點、人物、事件等記憶是緊密相連的。

那么，老鼠會不會有心理時間之旅呢？

其實在顯微鏡下，嚙齒動物和靈長類動物的腦組織非常相似，需要經(jīng)過訓(xùn)練的眼睛才能分辨出來。

而且，神經(jīng)科學(xué)家以前曾解碼過嚙齒動物大腦發(fā)出的信號，發(fā)現(xiàn)它們并不純粹是對感覺或移動指令的反應(yīng)。例如當(dāng)老鼠處于特定位置時，其對應(yīng)的位置細(xì)胞變得活躍?？茖W(xué)家可以通過記錄位置細(xì)胞的活動，來確定它們的位置。

但是，對大多數(shù)人來說，僅僅知道自己在哪里并不符合“想象”的標(biāo)準(zhǔn)，因為想象的內(nèi)涵要超越眼前的情境。而且直到2010年，靈長類動物研究人員仍然聲稱老鼠缺乏“認(rèn)知”。

沒有人有確鑿答案。

賴崇曦想研發(fā)出一種動物模式來系統(tǒng)性地研究：如果老鼠能夠不去特定位置，僅靠想象自己去往了特定位置，也能激活相應(yīng)的位置細(xì)胞，那這種行為就非常接近于人類的心理時間之旅。

讀取“思維”

2014年8月，賴崇曦進(jìn)入劍橋大學(xué)攻讀神經(jīng)科學(xué)博士。彼時，他腦子里已經(jīng)開始構(gòu)思和設(shè)計這個實驗。

2015年的一天，同窗菲利普斯和賴崇曦在湖邊聊天，他第一次聽到了這個項目的早期設(shè)想。他馬上認(rèn)為賴崇曦是他在英國遇到的同輩神經(jīng)科學(xué)家中那個最聰明、最有創(chuàng)造力的。多年后，他寫道，“當(dāng)他第一次向我描述時，我覺得這就像是來自遙遠(yuǎn)未來的東西，是一個巨大的概念飛躍，需要技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)現(xiàn)，再加上對概念的深刻理解才能實現(xiàn)?！?/p>

這個實驗的主要困難是，你無法告訴老鼠去想什么或做什么。你必須給它們一些暗示，比如獎勵它們做某個特定的動作。這種行為訓(xùn)練既是一門科學(xué)，也是一門藝術(shù)。

同時，你也很難獲知老鼠的“所思所想”。賴崇曦想到了一個精巧的實驗設(shè)計：如果老鼠確實能夠思考和想象，那么當(dāng)誘導(dǎo)老鼠思考去某個特定地方時，就應(yīng)該能夠以可預(yù)測的方式記錄下其所對應(yīng)的位置細(xì)胞變得活躍起來。

為了探索老鼠能否做到這一點，他們采用了腦機(jī)接口（BMI）技術(shù)，通過手術(shù)將電極植入老鼠的大腦，讓老鼠通過空間想象在元宇宙中穿梭。這個實驗將老鼠放在360度沉浸式虛擬現(xiàn)實（VR）中的一個球形跑步機(jī)上，并在虛擬的世界中顯示一個目標(biāo)，讓老鼠朝著這個目標(biāo)奔跑。

當(dāng)老鼠在跑步機(jī)上奔跑時，它的動作會在360度的屏幕上轉(zhuǎn)換，它在VR環(huán)境中的位置也會在屏幕上同步更新——就好像老鼠在真實環(huán)境中運(yùn)動一樣。當(dāng)老鼠到達(dá)目標(biāo)位置時，它們會得到獎勵（水）。然后新的目標(biāo)會在VR環(huán)境中產(chǎn)生，重復(fù)上述過程。老鼠一周就能學(xué)會這個任務(wù)?！疽曨l請前往“返樸”觀看】

在最初階段，研究小組記錄了位置細(xì)胞的活動。然后，他們使用人工智能解碼生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活動，從而計算出老鼠認(rèn)為自己在虛擬現(xiàn)實任務(wù)中的位置。

接下來，他們進(jìn)行一個以電影“Jumper”命名的任務(wù)。研究小組斷開跑步機(jī)，這意味著老鼠無法通過跑步達(dá)到目標(biāo)。這逼迫它們只能利用大腦活動在VR環(huán)境中移動。當(dāng)老鼠的大腦活動被解碼為位于目標(biāo)區(qū)域時，它將往那個位置移動，一旦移動到目標(biāo)位置，他們會獲得獎勵。

電影Jump里的意念瞬移

結(jié)果表明，這些老鼠確實可以只通過大腦活動導(dǎo)航到目標(biāo)地點。從根本上說，老鼠利用思維導(dǎo)航，首先要思考它們需要去哪里才能獲得獎勵。這種思維過程是人類經(jīng)常經(jīng)歷的。例如，朋友邀請你去一家熟悉的飯館相聚，你可能在出門之前就會想象沿途要經(jīng)過的地點。

不過，Jumper試驗也暴露出一個問題，就是很難讓老鼠完全不動。人類也有同樣的體驗，當(dāng)你所處的環(huán)境開始飄動時，你會不由自主地想要跟著環(huán)境動，很難阻止這種沖動。就算阻止住了，大腦也會產(chǎn)生一些信號，形成噪音。

為了解決這個問題，崇曦設(shè)計了第二項任務(wù)“Jedi”（指絕地武士，這是對電影《星球大戰(zhàn)》的致敬）。在實驗中，老鼠本身是靜止不動的，但必須僅利用大腦活動將屏幕上的物體“移動”到VR環(huán)境中的特定目標(biāo)。這就像一個人坐在辦公室里，想象拿起咖啡機(jī)旁的杯子并將咖啡倒?jié)M一樣。研究小組隨后改變了目標(biāo)的位置，要求動物產(chǎn)生與新位置相關(guān)的活動模式。老鼠們再次完成了這項任務(wù)。

研究小組發(fā)現(xiàn)，老鼠可以精確而靈活地控制它們的海馬體活動，這一點很可能與人類相似。一個令人驚訝的發(fā)現(xiàn)是，這些動物還能維持這種海馬體活動，將它們的思維停留在一個特定的位置達(dá)數(shù)秒之久——這個時間范圍與人類重溫過去的事件或想象新情景的時間范圍相似。

至此，從科學(xué)的角度，這篇論文完成了對嚙齒動物認(rèn)知能力最令人信服的展示。從技術(shù)發(fā)展的角度，這項工作提供了一種讀取深度大腦組織（比如海馬體）中抽象信號的腦機(jī)接口方法。腦機(jī)接口雖然從上世紀(jì)90年代初就開始發(fā)展，但是都局限于大腦皮層（特別是運(yùn)動皮層），這是迄今為止第一次在動物的深度大腦組織中讀取認(rèn)知地圖活動的工作。

發(fā)現(xiàn)與發(fā)明的循環(huán)

賴崇曦對大腦功能，特別是對“想象”異常著迷。

在很大程度上，他的興趣受到《尋找記憶》（In Search of Memory）這本書的引導(dǎo)。該書由神經(jīng)科學(xué)家埃里克·坎德爾（Eric Kandel）所著，書中不僅展示了他的個人生活和職業(yè)生涯，還介紹了神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展和重要發(fā)現(xiàn)，以及記憶的本質(zhì)和意義。

關(guān)于想象力對人類的作用，賴崇曦推崇英國哲學(xué)家大衛(wèi)·休謨（David Hume）的觀點：所有人都可能受到想象力的支配，沒有想象力，就沒有社會的安排。

賴崇曦丨來源：本人提供

正是對大腦如何產(chǎn)生想象的好奇，驅(qū)動賴崇曦在8年多的時間里聚焦于此。

盡管賴崇曦的構(gòu)想和設(shè)計十分巧妙，卻苦于沒有現(xiàn)成的海馬體腦機(jī)接口工具?！斑@種深度組織的腦機(jī)接口根本就不存在，所以我們要做一個全新的東西。” 一個侵入式腦機(jī)接口包含三個部分，第一步是細(xì)胞大小的微電極構(gòu)成的陣列，用來讀取神經(jīng)細(xì)胞的電信號。第二步是神經(jīng)活動在線分析的工具，把原始的電信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號，正是這些神經(jīng)脈沖信號在大腦中完成了對外部世界和自身思維的神經(jīng)編碼。第三步是解碼器，解碼器把來自大量細(xì)胞的脈沖信號轉(zhuǎn)化為可解釋的變量，比如說空間位置。賴崇曦說，他們從頭構(gòu)建了一個基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的在線分析工具來輸出神經(jīng)脈沖信號，僅這一步就花費了4年時間。

發(fā)現(xiàn)位置細(xì)胞的歐基夫曾親口告訴賴崇曦，他早在上世紀(jì)90年代就想要組織工程師做這個工具。但直到2016年以后，才陸續(xù)有一些可用的工具研制出來。

“我們完成的是為數(shù)不多的在線神經(jīng)記錄分析工具里面最先進(jìn)的，精度最高的，速度最快的。也是唯一能在一毫秒內(nèi)讓解碼器獲得單個神經(jīng)細(xì)胞，單個神經(jīng)脈沖信息的FPGA芯片。技術(shù)指標(biāo)的突破打開了諸多科學(xué)研究的可能性。深度大腦組織的腦機(jī)接口是其中的一項?！辟嚦珀馗嬖V《返樸》。

在菲利普斯看來，在傳統(tǒng)研究中很難做到將工程與發(fā)現(xiàn)長期齊頭并進(jìn)，但賴崇曦他們的研究給出了一個很好的案例，實現(xiàn)了“發(fā)現(xiàn)與發(fā)明的循環(huán)”。當(dāng)賴崇曦開始這個項目時，他把重心首先放在技術(shù)上，希望能一次記錄比他開始時多一個數(shù)量級的神經(jīng)元，并能在一毫秒而不是幾小時內(nèi)解碼這些神經(jīng)元的含義。同時能處理的神經(jīng)元數(shù)量和精度是解碼質(zhì)量的關(guān)鍵，處理神經(jīng)信號的速度越快，留給解碼器的時間預(yù)算就越充分。

解碼器和在線記錄分析工具同樣重要，常規(guī)的解碼器對噪聲非常敏感，這些噪聲可能來自于想象本身，也可能來自于微電極在大腦中位置的微小變化。為了解決這些困難，賴崇曦使用最先進(jìn)的AI算法來完成去噪的過程。在把自研的FPGA芯片應(yīng)用到具體實驗后，賴崇曦他們著手建立與VR的映射關(guān)系，VR編程，動物行為訓(xùn)練等，記錄并分析數(shù)據(jù)，并在這個過程中不斷優(yōu)化AI解碼器，這些工作又花費了4年時間才最終成文。

萊斯大學(xué)的教授Caleb Kemere 在Science雜志的觀點專欄里寫道：這一發(fā)現(xiàn)是大腦機(jī)器接口（BMI）應(yīng)用從感覺運(yùn)動功能到更為認(rèn)知領(lǐng)域的激動人心的擴(kuò)展，并暗示海馬體活動受到意志的控制。

未來，賴崇曦希望基于這項成果，去做偏臨床方向的研究。他認(rèn)為所有這些工具鏈都可以用在人類身上。把微電極植入在深度大腦組織中，在線分析的神經(jīng)活動再進(jìn)行AI解碼，讀取抽象思維并去噪，然后根據(jù)需要對大腦或環(huán)境進(jìn)行操縱。通過這類工具對大腦進(jìn)行讀寫，這在未來是可能的。

賴崇曦相信，這套工具鏈在臨床和基礎(chǔ)研究上都有巨大的用途。

參考文獻(xiàn)

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

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

本文受科普中國·星空計劃項目扶持

出品：中國科協(xié)科普部

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