基于虛擬現(xiàn)實(shí)和腦機(jī)接口的動(dòng)物“思想探測(cè)器”

就像毛茸茸的小尤達(dá)斯從沼澤中舉起X翼一樣，老鼠可以舉起數(shù)字立方體并將其扔到目標(biāo)附近。但這些老鼠并沒(méi)有使用原力。相反，類似于絕地武士的壯舉，老鼠們正在發(fā)揮自己的想象力。 近期，Science期刊以題為“Volitional activation of remote place representations with a hippocampal brain–machine interface”的論文描述了這種心靈傳動(dòng)技巧，為大腦如何想象新場(chǎng)景并記住過(guò)去場(chǎng)景提供了線索。本文一作兼通訊為美國(guó)霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所（Howard Hughes Medical Institute）中國(guó)學(xué)者Chongxi Lai，Albert K. Lee為本文共同通訊作者。

該研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)和腦機(jī)接口的新穎系統(tǒng)來(lái)探測(cè)老鼠的內(nèi)心想法。他們發(fā)現(xiàn)，和人類一樣，動(dòng)物也能思考不在眼前的地點(diǎn)和物體，它們會(huì)用意念想象走到某個(gè)地點(diǎn)，或?qū)⑦h(yuǎn)處的物體移動(dòng)到某個(gè)特定位置。 那么這是如何做到的呢？ 其中，最關(guān)鍵的就是海馬體！海馬體是對(duì)記憶和想象力至關(guān)重要的大腦區(qū)域。它擁有一個(gè)環(huán)境模型（也稱為認(rèn)知地圖），可以出于回憶或模擬的目的在心理上遍歷該模型。

與人類一樣，當(dāng)嚙齒類動(dòng)物體驗(yàn)地點(diǎn)和事件時(shí)，海馬體中特定的神經(jīng)活動(dòng)模式會(huì)被激活。這項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)，老鼠可以自愿產(chǎn)生這些相同的活動(dòng)模式，并通過(guò)這樣做來(lái)回憶起遠(yuǎn)離當(dāng)前位置的偏遠(yuǎn)地點(diǎn)。 這種想象遠(yuǎn)離當(dāng)前位置的能力對(duì)于記住過(guò)去的事件和想象未來(lái)可能的場(chǎng)景至關(guān)重要，想象是人類能做的一件了不起的事情，現(xiàn)在研究人員發(fā)現(xiàn)動(dòng)物也能做到這一點(diǎn)，并且還找到了一種研究它的方法。

一種新穎的腦機(jī)接口

該項(xiàng)目始于九年前，當(dāng)時(shí)Chongxi Lai還是一名研究生，來(lái)到Janelia研究所，他的想法是測(cè)試動(dòng)物是否會(huì)思考。他的導(dǎo)師、Janelia研究所高級(jí)研究員Tim Harris建議Chongxi Lai與Albert K. Lee聊一聊，Albert K. Lee的實(shí)驗(yàn)室也有類似的問(wèn)題。 后來(lái)，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室合作開(kāi)發(fā)了一個(gè)系統(tǒng)來(lái)了解動(dòng)物在想什么——一個(gè)實(shí)時(shí)的“思想探測(cè)器”，可以測(cè)量神經(jīng)活動(dòng)并翻譯它的含義。 該系統(tǒng)使用腦機(jī)接口（BMI），它提供了大腦活動(dòng)與外部設(shè)備之間的直接連接。在該團(tuán)隊(duì)的系統(tǒng)中，腦機(jī)接口在大鼠海馬體的電活動(dòng)與大鼠在360度虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)館中的位置之間建立聯(lián)系。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中基于海馬體圖的腦機(jī)接口

海馬體儲(chǔ)存著世界的心理地圖，用于回憶過(guò)去的事件和想象未來(lái)的場(chǎng)景。記憶的回憶涉及與地點(diǎn)和事件相關(guān)的特定海馬體活動(dòng)模式的產(chǎn)生。但沒(méi)有人知道動(dòng)物是否能自愿控制這種活動(dòng)。 腦機(jī)接口使研究人員能夠測(cè)試?yán)鲜笫欠衲軌蚣せ詈ｑR體活動(dòng)，只考慮競(jìng)技場(chǎng)中的某個(gè)位置，而無(wú)需實(shí)際前往該位置，本質(zhì)上是檢測(cè)動(dòng)物是否能夠想象去該位置。

圖2 老鼠可以通過(guò)控制海馬體活動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

探究老鼠的內(nèi)心想法

一旦開(kāi)發(fā)出系統(tǒng)，研究人員就必須創(chuàng)建“思想詞典”，以幫助他們解碼老鼠的大腦信號(hào)。這本字典匯編了老鼠經(jīng)歷某些事情時(shí)的活動(dòng)模式——在本例中是在VR競(jìng)技場(chǎng)中。 這只老鼠被用在由Lee實(shí)驗(yàn)室博士后Shinsuke Tanaka設(shè)計(jì)的VR系統(tǒng)中。當(dāng)老鼠在球形跑步機(jī)上行走時(shí)，它的運(yùn)動(dòng)會(huì)在360度屏幕上進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)老鼠到達(dá)目標(biāo)時(shí)，它就會(huì)得到獎(jiǎng)勵(lì)。 同時(shí)，腦機(jī)接口系統(tǒng)記錄大鼠的海馬體活動(dòng)。研究人員可以看到當(dāng)老鼠在競(jìng)技場(chǎng)中到達(dá)每個(gè)目標(biāo)時(shí)哪些神經(jīng)元被激活。這些信號(hào)為實(shí)時(shí)海馬體腦機(jī)接口提供了基礎(chǔ)，大腦的海馬體活動(dòng)會(huì)轉(zhuǎn)化為屏幕上的動(dòng)作。

接下來(lái)，研究人員斷開(kāi)跑步機(jī)的連接，并獎(jiǎng)勵(lì)老鼠重現(xiàn)與目標(biāo)位置相關(guān)的海馬體活動(dòng)模式。在這項(xiàng)以2008年同名電影命名的“Jumper”任務(wù)中，腦機(jī)接口將動(dòng)物的大腦活動(dòng)轉(zhuǎn)化為虛擬現(xiàn)實(shí)屏幕上的運(yùn)動(dòng)。 從本質(zhì)上講，動(dòng)物首先思考他們需要去哪里才能獲得獎(jiǎng)勵(lì)，從而利用其思想來(lái)導(dǎo)航到獎(jiǎng)勵(lì)。這種思維過(guò)程是人類經(jīng)常經(jīng)歷的事情。例如，當(dāng)我們被要求去一家熟悉的商店買(mǎi)雜貨時(shí)，我們可能會(huì)想象在離開(kāi)家之前我們會(huì)經(jīng)過(guò)的地點(diǎn)。

在第二個(gè)任務(wù)中，“絕地”任務(wù)（《星球大戰(zhàn)》）中，老鼠僅通過(guò)意念將物體移動(dòng)到某個(gè)位置。老鼠被固定在一個(gè)虛擬的地方，但通過(guò)控制它的海馬體活動(dòng)，將一個(gè)物體“移動(dòng)”到VR空間中的目標(biāo)，就像坐在辦公室里的人想象的那樣，在咖啡機(jī)旁邊拿一個(gè)杯子，然后往里面倒?jié)M咖啡。然后研究人員改變了目標(biāo)位置，要求動(dòng)物產(chǎn)生與新位置相關(guān)的活動(dòng)模式。

研究小組發(fā)現(xiàn)，老鼠可以像人類一樣精確而靈活地控制其海馬體活動(dòng)。這些動(dòng)物還能夠維持這種海馬體活動(dòng)，將它們的想法停留在給定位置很多秒——這個(gè)時(shí)間范圍類似于人類重溫過(guò)去的事件或想象新場(chǎng)景的時(shí)間范圍。

圖3 老鼠可以將物體移動(dòng)到遠(yuǎn)程目標(biāo)位置，并通過(guò)控制海馬體活動(dòng)將其保持在那里

眾所周知，海馬體會(huì)在似乎代表遠(yuǎn)離動(dòng)物當(dāng)前位置的序列中表現(xiàn)出集合活動(dòng)爆發(fā)。這些爆發(fā)發(fā)生在尖波漣漪（SWR）和θ序列中，前者發(fā)生在休息和睡眠期間，后者則與正在進(jìn)行的探索活動(dòng)中的振蕩同步。

圖4 自愿產(chǎn)生的非局部活動(dòng)與動(dòng)物處于相應(yīng)位置時(shí)的活動(dòng)類似，并且與LFP中的θ帶功率相關(guān)

研究人員直言：“令人驚奇的是，老鼠如何在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)思考那個(gè)地方，而不是其他地方，這是基于老鼠注意力（也許是幼稚的）持續(xù)時(shí)間的概念。” 總而言之，本文開(kāi)發(fā)了一種腦機(jī)接口，發(fā)現(xiàn)僅通過(guò)激活和維持遠(yuǎn)程位置的適當(dāng)海馬體表征，老鼠就可以有效地導(dǎo)航或引導(dǎo)物體到虛擬現(xiàn)實(shí)競(jìng)技場(chǎng)內(nèi)的任意目標(biāo)位置。這提供了對(duì)情景記憶回憶、心理模擬和計(jì)劃以及想象力的潛在機(jī)制的深入了解，為研究這一重要的大腦區(qū)域提供了一種新穎的系統(tǒng)，并為使用海馬體表征的高級(jí)神經(jīng)修復(fù)術(shù)開(kāi)辟了可能性，由于腦機(jī)接口越來(lái)越多地應(yīng)用于假肢，這項(xiàng)新工作也為基于相同原理設(shè)計(jì)新型假肢裝置提供了可能性。

審核編輯：劉清