掃描大腦即可獲眼中所見   腦神經(jīng)系統(tǒng)活性被解讀

摘要

加州大學(xué)伯克利分校的研究者已經(jīng)通過電腦模型和功能性核磁共振成像(fMRI)掃描儀，將觀察到的腦神經(jīng)系統(tǒng)活性進(jìn)行了成功“解碼”，并確定出測試者剛剛所看到過的圖片。這項(xiàng)研究由加州大學(xué)伯克利分校神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)家杰克·格蘭特(Jack Gallant)和博士后研究人員托馬斯·納斯拉瑞斯(Thomas Naselaris)共同主持。所以將此項(xiàng)技術(shù)稱作為格蘭特神經(jīng)解碼，格蘭特希望能夠開發(fā)出更多的能夠“解讀”大腦神經(jīng)活性的儀器，比如光學(xué)激光掃描儀或者腦電圖掃描儀，通過計(jì)算機(jī)來解讀人類思想。

格蘭特神經(jīng)解碼-歷史

美科學(xué)家開發(fā)的讀心術(shù)

“讀心術(shù)”的研究

美國科學(xué)家研究出一種能夠“閱讀”大腦的技術(shù)。在利用大腦掃描儀進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，研究人員能夠準(zhǔn)確猜測出參與者腦中所想的事物，準(zhǔn)確率高達(dá)80%左右。據(jù)悉，這項(xiàng)有關(guān)讀心術(shù)的研究目的就是證明掃描能夠揭示我們內(nèi)心深處的想法。

實(shí)驗(yàn)中，研究人員用到了fMRI(功能性磁共振成像的英文縮寫)，這種掃描儀現(xiàn)已普遍應(yīng)用于醫(yī)院。在對(duì)6名志愿者的大腦進(jìn)行掃描時(shí)，研究領(lǐng)導(dǎo)人、美國納什維爾范德比爾特大學(xué)的斯蒂芬妮·哈里森(Stephanie Harrison)博士通過電腦屏幕，向他們展示不同的圖案。其中一個(gè)圖案是條紋構(gòu)成的圓，條紋近乎水平;另一個(gè)圖案是由接近垂直的條紋構(gòu)成的圓。

圖案出現(xiàn)時(shí)，志愿者大腦的不同區(qū)域被激活?？催^所有兩個(gè)圖案之后，研究人員要求他們回憶其中一個(gè)圖案。根據(jù)《自然》雜志的報(bào)道，通過觀察大腦活動(dòng)形態(tài)，科學(xué)家得以準(zhǔn)確判斷出志愿者所回憶的是哪一個(gè)圓。哈里森表示：“準(zhǔn)確率大大超過50%。對(duì)6名參與者進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)證明，這種讀心術(shù)非?？煽俊！?/p>

MRI掃描儀利用一個(gè)強(qiáng)大的磁場和無線電波探測大腦周圍的血液流動(dòng)。一些專家認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)為讀心器的研制鋪平了道路。所謂的讀心器能夠立即在屏幕上呈現(xiàn)他人所想的事物或者夢中夢到的場景。

“讀心術(shù)”解碼腦神經(jīng)

人的心思是世界上最難捉摸的東西，但科技的發(fā)展正在令“人心”不再難測。美國科學(xué)家日前利用電腦模型和一種實(shí)時(shí)成像掃描系統(tǒng)，成功對(duì)腦神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行解碼，并確定了一個(gè)人剛剛看到的圖片。研究人員表示，這意味著用電腦重現(xiàn)人腦中的夢境、想象或記憶畫面成為一種可能。

在2008年進(jìn)行的一項(xiàng)單獨(dú)研究中，格蘭特等人選擇了兩名同事接受試驗(yàn)。在第一階段，他們每人觀看了1750張圖片，其中包括動(dòng)物、建筑、食物、室外風(fēng)景、室內(nèi)景物、人造物體等，同時(shí)研究人員利用功能核磁共振成像(fMRI)掃描儀來監(jiān)測他們大腦視覺皮層的活動(dòng)?；讷@得的數(shù)據(jù)，研究人員在電腦上創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來分析大腦對(duì)不同視覺特征的反應(yīng)。

“讀心術(shù)”解碼腦神經(jīng)

在第二階段，兩名受試者觀看了任意挑選的120張新圖片，同時(shí)fMRI掃描儀繼續(xù)記錄他們的大腦信號(hào)。通過數(shù)學(xué)模型的分析，電腦分別測對(duì)了兩名受試者看到的110張和86張圖片，準(zhǔn)確率達(dá)到92%和72%。當(dāng)受試者看到的圖片數(shù)量增加到1000張時(shí)，電腦的表現(xiàn)也有所下降，但對(duì)其中一人的測試準(zhǔn)確率仍能達(dá)到82%。據(jù)研究人員估計(jì)，即便圖片有10億張，電腦對(duì)大腦信號(hào)“解碼”的準(zhǔn)確率也能有20%左右。

首席研究員杰克·格蘭特(Jack Gallant)博士當(dāng)時(shí)警告說：“解密大腦活動(dòng)可能引發(fā)嚴(yán)重的道德和隱私權(quán)問題。我們認(rèn)為任何人都無權(quán)在暗地里或者在沒有征得對(duì)方同意情況下，施展任何形式的讀心術(shù)。”

格蘭特教授在2008年3月5日發(fā)表于《自然》雜志網(wǎng)站上的論文中寫道：“我們的成果表明：依靠對(duì)人腦活動(dòng)的監(jiān)測和分析來重建我們感知的視覺圖像，很快將成為可能。甚至夢境和想象也有可能變成可視的畫面。”

腦神經(jīng)系統(tǒng)活性被解讀

加州大學(xué)伯克利分校的研究者已經(jīng)通過電腦模型和功能性核磁共振成像(fMRI)掃描儀，將觀察到的腦神經(jīng)系統(tǒng)活性進(jìn)行了成功“解碼”，并確定出測試者剛剛所看到過的圖片。盡管此項(xiàng)研究結(jié)果離實(shí)際運(yùn)用還有數(shù)十年之遙，但這項(xiàng)研究可能會(huì)幫助科學(xué)家在某天制造出能夠解讀人類夢境和控制人類思維的計(jì)算機(jī)。

這項(xiàng)研究由加州大學(xué)伯克利分校神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)家杰克·格蘭特(Jack Gallant)和博士后研究人員托馬斯·納斯拉瑞斯(Thomas Naselaris)共同主持。這項(xiàng)研究是基于他們的早期研究“利用神經(jīng)系統(tǒng)活性模型，確認(rèn)出大腦看到過的圖像”。

掃描大腦即可獲眼中所見 腦神經(jīng)系統(tǒng)活性被解讀

他們的實(shí)驗(yàn)方法于2009年9月23日發(fā)表在《神經(jīng)元》雜志上。為了構(gòu)建電腦模型，研究者使用了功能性核磁共振成像(fMRI)掃描儀。他們讓3個(gè)測試者觀看日常的物體圖像，通過fMRI測量流過大腦的血液來跟蹤神經(jīng)系統(tǒng)活性。在校準(zhǔn)好神經(jīng)活性模型后，測試者被要求看另外一套圖案。電腦”解讀”了fMRI 跟蹤到的大腦神經(jīng)活性，并在數(shù)據(jù)庫(其中有600萬張圖片)中找到測試者看到過的圖案。

格蘭特希望能夠開發(fā)出更多的能夠“解讀”大腦神經(jīng)活性的儀器，比如光學(xué)激光掃描儀或者腦電圖掃描儀。通過計(jì)算機(jī)來解讀人類思想還有幾十年的路要走。格蘭特說：“你可以通過算法來解碼一些我們看不到的事物。理論上來說，你可以分析出人類的心理。當(dāng)一個(gè)人在進(jìn)行思考時(shí)，通過機(jī)器就可以了解到他不為人知的秘密?！?/p>

格蘭特神經(jīng)解碼-介紹

格蘭特神經(jīng)解碼是通過儀器解讀人的大腦活動(dòng)

格蘭特的“神經(jīng)解碼”——他用來替代“讀心”的一個(gè)術(shù)語——發(fā)展地越來越快、越來越成熟。實(shí)際上，2009年10月份，他的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)通過分析人們觀看視頻片段時(shí)的大腦激活模式重建了參加者觀看的完整的視頻片段。在一個(gè)示例里，一只大象在沙漠上行走的重建視頻，顯示著一個(gè)稍有瑕疵的小飛象形狀的物體在屏幕上緩慢地移動(dòng)。其中詳細(xì)的細(xì)節(jié)丟失了，但是這仍然使人印象深刻，因?yàn)檫@是從某個(gè)人的大腦里提取的。運(yùn)用類似的技術(shù)，研究者可以揭開記憶和夢境的神秘面紗。

在一個(gè)超強(qiáng)的大腦掃描儀的幫助下，科學(xué)將能夠直接從你的大腦里獲知你看到的事物——甚至有一天可能讀取你的思想。研究者已經(jīng)通過電腦模型和功能性核磁共振成像(fMRI)掃描儀，將觀察到的腦神經(jīng)系統(tǒng)活性進(jìn)行了成功“解碼”，并確定出測試者剛剛所看到過的圖片。這項(xiàng)研究是基于他們的早期研究“利用神經(jīng)系統(tǒng)活性模型，確認(rèn)出大腦看到過的圖像”。

為了構(gòu)建電腦模型，研究者使用了功能性核磁共振成像(fMRI)掃描儀。他們讓3個(gè)測試者觀看日常的物體圖像，通過fMRI測量流過大腦的血液來跟蹤神經(jīng)系統(tǒng)活性。在校準(zhǔn)好神經(jīng)活性模型后，測試者被要求看另外一套圖案。電腦”解讀”了fMRI跟蹤到的大腦神經(jīng)活性，并在數(shù)據(jù)庫(其中有600萬張圖片)中找到測試者看到過的圖案。

“只要我們擁有好的儀器來檢測大腦活動(dòng)，并且建立了合適的大腦計(jì)算模型”，格蘭特在他2008年發(fā)表在英國《自然》雜志上的一篇論文的附屬材料里寫道，“原則上我們將可能解碼諸如夢境、記憶和表象等心理加工過程的視覺內(nèi)容”。

格蘭特神經(jīng)解碼-技術(shù)要點(diǎn)

僅僅通過分析你的大腦活動(dòng)，科學(xué)家就能非常準(zhǔn)確地預(yù)測你剛剛看到過的事物。這種技術(shù)就是神經(jīng)解碼。為了做到這一點(diǎn)，科學(xué)家首先必須在你注視上千張圖片的時(shí)候，掃描你的大腦。然后計(jì)算機(jī)分析你的大腦對(duì)于每一張圖片是如何反應(yīng)的，最后將大腦活動(dòng)與形狀和顏色等各種細(xì)節(jié)進(jìn)行匹配。隨著計(jì)算的進(jìn)行，計(jì)算機(jī)能夠建立一種主解碼密匙;這種密匙稍后能夠在沒有預(yù)先分析觀看某張圖片產(chǎn)生的掃描圖像的情況下，識(shí)別和重建幾乎所有你看到的物體。

格蘭特神經(jīng)解碼-原理

獲得外界圖像的腦部工作機(jī)理

大腦通過一個(gè)復(fù)雜的裝配線來建構(gòu)我們周遭的世界。初級(jí)視覺皮層，或者簡稱V1，通過復(fù)雜的方式與V2、V3等其他區(qū)域相連接。每個(gè)區(qū)域負(fù)責(zé)一個(gè)特定的與視覺相關(guān)的功能，比如分辨顏色，識(shí)別形狀，探測深度，或者感知運(yùn)動(dòng)。例如，當(dāng)看著一條狗時(shí)，不僅僅只是看到一條四條腿的動(dòng)物的外形;還會(huì)意識(shí)到自己小時(shí)候曾經(jīng)有過一個(gè)這樣的棕白色的狗，在生活過的后院里也這樣地活蹦亂跳;甚至可能會(huì)勾起跟它一起玩鬧的記憶?！翱匆姟?這個(gè)狀態(tài))所包含的所有這些方面，都將會(huì)在視覺皮層以不同模式得以表征。

格蘭特的研究關(guān)注的V1區(qū)域的核心功能——記錄視覺刺激——在20世紀(jì)早期被發(fā)現(xiàn);當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)腦袋后部(大概就是他們的視覺皮層)有槍傷的士兵，盡管視力正常，但卻出現(xiàn)了部分的失明。來自嚙齒動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)證實(shí)人們所看到的事物的方位和形狀在V1區(qū)域被重建。假如人們看著一棵樹，眼睛的后部將把一個(gè)正立的樹的表象記錄在V1區(qū)域。但是直到1990年代，神經(jīng)科學(xué)家通過一種叫多體素模式識(shí)別的方法，才得以對(duì)人類中的非侵入性表征進(jìn)行精確定位。這種技術(shù)運(yùn)用功能磁共振將視覺皮層投射到微小的結(jié)構(gòu)——體素上;而體素又與腦部血流的模式相一致。比如，這個(gè)區(qū)域一個(gè)負(fù)責(zé)表征形狀的模式，可能會(huì)告訴我們某個(gè)人正在看一只狗;而該區(qū)域另外一個(gè)負(fù)責(zé)表征顏色的模式將顯示這條狗是褐色的。

格蘭特的項(xiàng)目將這一技術(shù)提升到了一個(gè)新的水平，他使用計(jì)算模型來識(shí)別圖片的同時(shí)重建了它們。格蘭特實(shí)驗(yàn)室里的五個(gè)成員在過去三年內(nèi)與概率理論作斗爭，爭取提出最優(yōu)的算法來推動(dòng)這個(gè)計(jì)算模型的發(fā)展。在談到如何設(shè)計(jì)出這些算法編碼時(shí)，托馬斯·納斯拉瑞斯(Thomas Naselaris)，一個(gè)高個(gè)子卷發(fā)的博士后在黑板上寫下了一個(gè)很長的叫做貝葉斯理論的方程。這是概率理論的基本法則，可以計(jì)算對(duì)于全新的信息而言，其概率變化如何。他說，這是他們的技術(shù)的核心。

格蘭特神經(jīng)解碼-實(shí)驗(yàn)過程

類似這臺(tái)機(jī)器的功能磁共振儀器幫助科學(xué)家解碼人類大腦的活動(dòng)。

為了計(jì)算某個(gè)人的大腦表征特定圖片的模式的概率，研究者首先必須使用相當(dāng)數(shù)量的抽樣數(shù)量來啟動(dòng)這個(gè)特殊的方程，他們需要使用被試的功能磁共振掃描數(shù)據(jù)中的1750個(gè)來訓(xùn)練這個(gè)模型?！皩?duì)于每個(gè)人可能看到的任何一張圖片，貝葉斯理論會(huì)告知人們每張圖片被正確預(yù)測的概率，”納斯拉瑞斯說。這有點(diǎn)像試圖預(yù)測隱藏在防水布下面的汽車的品牌：為了提出準(zhǔn)確的猜測結(jié)果，你首先必須分析所有可以獲得的線索——防水布的外形、大小、甚至是車主的類型、可能還有引擎的聲音。

同時(shí)，格蘭特和他的博士后西本真治正在嘗試重建大腦中儲(chǔ)存的電影影像。在我完成我的功能磁共振掃描后，格蘭特在他的電腦上展示了一個(gè)視頻片段，視頻像幻覺一樣描繪了漂浮在雪山前的一只熊。每隔幾秒，一只新的熊被放大到視頻前面，然后又像拋向空中的水皮球一樣漂走了。偶爾一個(gè)彩色的立方體飛過熊。僅僅只是看著它就讓我眼暈。 “這是一個(gè)運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)的影片，”格蘭特興奮地說，“它會(huì)讓你的視覺系統(tǒng)絕對(duì)的瘋狂，所以你的視覺系統(tǒng)充滿了血流和信號(hào)。”

西本真治，實(shí)驗(yàn)室里典型的“運(yùn)動(dòng)控”，可以從大腦掃描數(shù)據(jù)里重建出這些熊的顏色、位置和運(yùn)動(dòng)，并生成原始視頻片段的復(fù)制版本。在一個(gè)類似的實(shí)驗(yàn)里，他讓一名志愿者躺在功能磁共振儀器里觀看一個(gè)電影預(yù)告片兩個(gè)小時(shí)。然后計(jì)算機(jī)將被試的大腦模式與影片里的顏色和移動(dòng)形狀進(jìn)行匹配。為了逐步建立計(jì)算模型的參考數(shù)據(jù)庫來啟動(dòng)貝葉斯方程，研究者用上千個(gè)小時(shí)的YouTube視頻來訓(xùn)練這個(gè)模型，并且使用它來預(yù)測人們觀看這些視頻時(shí)大腦將如何反應(yīng)。然后，當(dāng)被試觀看一段全新的視頻片段時(shí)，計(jì)算機(jī)就能夠?qū)⑿碌拇竽X模式與數(shù)據(jù)庫中的匯總的圖像片段進(jìn)行匹配，進(jìn)而重建原始視頻片段。重建的視頻，像重建形狀和顏色一樣，刻畫了運(yùn)動(dòng)的綜合流程，雖然它丟失了詳細(xì)的細(xì)節(jié)，比如臉部特征。研究者稱，只要有更多的數(shù)據(jù)參入計(jì)算模型的計(jì)算，重建視頻的分辨率將會(huì)提高?！爱?dāng)我告訴任何人我能夠做到這點(diǎn)時(shí)，”格蘭特說，“他們都說絕不可能?！?/p>

人們感知的心理加工過程在這種方式下能夠被簡化成一個(gè)個(gè)二進(jìn)制的值，稍微有點(diǎn)不可思議。但這就是控制著我們?nèi)魏嗡娝?、所思所想的一個(gè)神秘黑盒子里的神經(jīng)元的真實(shí)圖景?！八械亩际菙?shù)字，”格蘭特說，“而訣竅就是做好記錄。”

格蘭特神經(jīng)解碼-科學(xué)讀心術(shù)

讀心術(shù)有望實(shí)現(xiàn)

格蘭特神經(jīng)解碼如果成功，那將影響到人們處理任何事的方式。利用這種技術(shù)研制成的讀心機(jī)將可以幫助醫(yī)生理解幻想癥患者、認(rèn)知障礙患者、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙患者和其他病人的心聲。法官將可以運(yùn)用讀心機(jī)潛入犯罪嫌疑犯的大腦里去看一看，看看他們有沒有編造事實(shí)以及他們到底看到了什么。這樣的機(jī)器也可以確定那些以精神病作為自保理由的人是否在說謊，或者那些宣稱正當(dāng)防衛(wèi)的人是否真正出于自衛(wèi)的目的。但是另一方面，這項(xiàng)技術(shù)也將同樣引發(fā)嚴(yán)重的倫理問題，評(píng)論家擔(dān)心有一天這項(xiàng)技術(shù)使得我們的隱私便于被偷窺者和黑客所竊取。