通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的手段，成功的從老鼠的“吱吱”聲中解讀出20多種不同的含義

相信很多人的都討厭老鼠的存在，但不可否認(rèn)的是老鼠在醫(yī)學(xué)研究和藥物研究等領(lǐng)域?yàn)槿祟愖龀隽司薮蟮呢暙I(xiàn)。最近研究人員們通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的手段，成功的從老鼠的“吱吱”聲中解讀出20多種不同的含義，包括高興和愉悅的情緒。這一稱為DeepSqueak的研究項(xiàng)目使得我們可以更深入地了解藥物對(duì)于大腦活動(dòng)的影響，分析產(chǎn)生預(yù)約或者痛苦的過(guò)程有助于開(kāi)發(fā)出更好地治療手段和方法。長(zhǎng)期以來(lái)研究人員們就意識(shí)到老鼠和大多數(shù)嚙齒類動(dòng)物都具有社交和溝通行為，它們會(huì)花很長(zhǎng)的時(shí)間與同伴交流，但它們到底在說(shuō)什么呢？我們還沒(méi)有明確的方法來(lái)解讀它們聲音的含義。嚙齒類的超聲波是人類無(wú)法聽(tīng)到了，即使利用麥克風(fēng)收集現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)程序也無(wú)法正確的檢測(cè)和分析這些信號(hào)。采集過(guò)程中的信號(hào)以及現(xiàn)有算法的局限使得這一領(lǐng)域進(jìn)展緩慢。

AI輔助理解

為了解決這一問(wèn)題，兩位量子華盛頓大學(xué)的研究人員開(kāi)始了一個(gè)名為“DeepSqueak”的項(xiàng)目，通過(guò)深度學(xué)習(xí)和機(jī)器學(xué)習(xí)等手段突破了這一領(lǐng)域的技術(shù)局限，并用新的技術(shù)拓展了嚙齒類發(fā)聲研究的應(yīng)用范圍。這一研究最近在nature子刊Neuropsychopharmacology上發(fā)表。研究人員們首先將收集到老鼠的超聲波發(fā)聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為可視化的聲譜(sonogram)，在可視化圖的技術(shù)上研究人員將視覺(jué)領(lǐng)域前沿的深度學(xué)習(xí)技術(shù)融入進(jìn)來(lái)，利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大能力來(lái)檢測(cè)老鼠的發(fā)聲信號(hào)。研究人員首先在聲譜圖上進(jìn)行了預(yù)處理，利用候選區(qū)域推選網(wǎng)絡(luò)將可能存在聲音信號(hào)的區(qū)域篩選出來(lái)；隨后將篩選出的圖像區(qū)域送入卷積網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行檢測(cè)，將有效的老鼠叫聲從噪音中區(qū)分出來(lái)。整個(gè)過(guò)程基于目標(biāo)檢測(cè)的思想(Faster-Rcnn)，將頻域的聲音檢測(cè)轉(zhuǎn)換為了視覺(jué)領(lǐng)域的目標(biāo)檢測(cè)。

DeepSqueak最初設(shè)計(jì)的目的是用于檢測(cè)嚙齒類動(dòng)物在藥物實(shí)驗(yàn)室時(shí)的聲音表達(dá)情況，所以研究人員們還開(kāi)發(fā)出了基于k均值聚類的發(fā)聲譜型分類方法，同時(shí)也建立了基于監(jiān)督學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于對(duì)不同的叫聲進(jìn)行分類。

老鼠的喜怒哀樂(lè)

研究發(fā)現(xiàn)老鼠的叫聲十分豐富，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了20多類表達(dá)不同意思的叫聲。研究人員表示，在用藥過(guò)程中聲譜中可以觀察到積極或者負(fù)面的聲音信號(hào)?；诳梢暬陌l(fā)聲研究人員觀察到嚙齒類在期待和得到獎(jiǎng)勵(lì)的時(shí)候時(shí)最開(kāi)心的，它們?cè)诔缘教菚r(shí)一定無(wú)比的快樂(lè)；同時(shí)在和同伴玩耍時(shí)也會(huì)發(fā)出愉悅的聲音。

求偶過(guò)程中會(huì)發(fā)出多種不同的獨(dú)特的聲音模式。當(dāng)兩只雄性老鼠獨(dú)處時(shí)他們會(huì)不斷地發(fā)出相同的聲音，但如果他們感覺(jué)到附近有雌性出沒(méi)就會(huì)發(fā)出像“狼嚎”一樣的聲音，整個(gè)聲譜變得更為復(fù)雜多樣。在求偶的不同階段，它們的發(fā)聲模式有著獨(dú)特顯著的區(qū)別，也就是說(shuō)老鼠也會(huì)為愛(ài)放聲歌唱。

聲音及其對(duì)應(yīng)的情緒狀況，所以對(duì)于戒酒和戒毒等患者具有重要的幫助。研究人員通過(guò)這樣的方式將在實(shí)驗(yàn)鼠身上觀察不同藥物對(duì)于大腦活動(dòng)的影響，并利用這種高效、方便、簡(jiǎn)單的技術(shù)檢測(cè)動(dòng)物發(fā)出的超聲波及其所包含的情緒。研究人員表示，這種技術(shù)可以幫助人們更好的理解藥物/酒精/上癮藥產(chǎn)生愉悅或者痛苦的過(guò)程，可以有效地改進(jìn)針對(duì)上癮患者的治療方案，改善治療效果。作者提供了基于Matlab的代碼庫(kù)，如果你也想檢測(cè)下家里的老鼠在吃喝玩樂(lè)之余都在八卦些什么，用DeepSqueak來(lái)試試吧! 說(shuō)不定能聽(tīng)到什么驚人的秘密呢！