機器算法要試圖“拯救”精神疾病

核磁共振成像也叫磁共振成像，簡稱 MRI ，是一種可以對身體內(nèi)部進行成像，幫助醫(yī)生診斷疾病的技術(shù)。功能性磁共振成像（fMRI ）屬于 MRI 的一種，主要用于對大腦的血液流動進行成像，判斷大腦的活躍區(qū)域。這些看似跟機器學習沒什么關(guān)系，但其實研究人員已經(jīng)開始將 MRI 和 fMRI 與機器學習算法結(jié)合起來，幫助人們了解大腦對社交場合的反應(yīng)機制。

這一新興的領(lǐng)域被稱為計算精神病學，計算精神病學研究的目的是將正常人腦與精神疾病患者的大腦進行對比，從而提升對精神疾病診斷的準確率。研究內(nèi)容則包括尋找精神疾病的成因以及對應(yīng)的治療方法。

據(jù)世界衛(wèi)生組織的報告顯示，全球共有數(shù)千萬雙相情感障礙和精神分裂癥患者，而受抑郁癥折磨的患者人數(shù)高達 3 億，計算精神病學有很大的空間可以施展。用機器學習的方法來診斷精神疾病看似非常簡單，認為只要復制人工的診斷方法即可，然而現(xiàn)實并非如此。目前對精神疾病的主要診斷方法是用病人出現(xiàn)的癥狀來參照比對美國精神醫(yī)學學會在 2013 年出版的第五版精神疾病診斷與統(tǒng)計手冊。這種方法很主觀，判斷的依據(jù)也并不充分，有很大的優(yōu)化空間。

計算精神病學的初步成果

其實計算神病學研究已經(jīng)有了一些初步的成果。弗吉尼亞理工大學醫(yī)學院的研究團隊在實驗中發(fā)現(xiàn)邊緣性人格障礙 BPD 患者比起正常人更注重人際關(guān)系中的反饋和往來，這一結(jié)果與研究團隊當初的設(shè)想完全相反。

其實計算精神病學所用到的 fMRI 早在 1990 年就已經(jīng)被發(fā)明出來了，但我們才剛剛獲得足夠的計算能力來處理 fMRI 所收集到的數(shù)據(jù)，這也就是為什么計算精神病學還屬于新興學科。精神病學與神經(jīng)學所研究的內(nèi)容并不完全相同。

神經(jīng)學所研究的是人類的大腦，而精神病學所研究的對象是人的思想，這就造成一定程度上的主觀和不確定性。比如用數(shù)字 1 到 10 來衡量疼痛的話，3 級疼痛對某些人來說可能不太疼，但對另一些人來說可能是無法忍受的疼了，而且這兩類人對疼痛程度的判斷雖然不同但從自己的角度來看都是合理的。

精神疾病的診斷也存在這種問題，比如說不同類型的精神疾病可能有相似的癥狀。計算精神病學的創(chuàng)新之處就在于將 MRI 和 fMRI 產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)與機器學習算法進行結(jié)合提升診斷的準確率，此外研究人員還希望借此對治療的有效性進行追蹤。

計算精神病學的三種研究方向

Pearl Chiu 教授是弗吉尼亞理工大學醫(yī)學院人類神經(jīng)造影研究所唯一一名有臨床經(jīng)驗的心理學家，從與病人交流到研究機器學習，其研究的跨度可以說非常大。Chiu 教授說，與病人合作過，才讓她明白我們對人腦的了解竟如此之少。她相信，將機器學習方法引入精神疾病的診斷是可行的。

Chiu 教授的研究團隊將 MRI 和 fMRI 的成像結(jié)果、患者的行為模式、與患者談話的錄音以及從心理學方面的診斷都作為機器學習算法的輸入數(shù)據(jù)，而且唾液和血液樣本也很快會加入到輸入數(shù)據(jù)中。他們希望能從這些數(shù)據(jù)中去除噪音并提取有用的診斷信號。

當我們大腦某部分運作時會需要更多的氧氣。所以 fMRI 通過掃描氧氣，其實是血液的流動就能知道我們大腦的哪部分正在進行活動。fMRI 并非十全十美，它也會出現(xiàn)假陽性的問題。最極端的例子是用 fMRI 來掃描一條死魚，結(jié)果會顯示出魚出現(xiàn)了大腦活動。

其實從患者處收集完數(shù)據(jù)，只要把收集到的患者信息輸入模型需要幾分鐘時間就能輸出診斷結(jié)果。如果使用針對性更強的模型，還可以進一步加快數(shù)據(jù)處理的速度。比如，研究人員從與病人的交談中初步判斷出病人所患的可能是抑郁癥，那么就可以使用專門處理抑郁癥的模型來加快診斷的速度。

Chiu 教授說使用機器學習的方法可以識別出人類醫(yī)生會忽略或者無法判斷的數(shù)據(jù)模式，也能幫助病人獲得更好的針對性治療。Chiu 教授表示這些數(shù)據(jù)可以幫助我們來診斷不同類型的抑郁癥。比如某些抑郁癥病人可能更適合理療，而另一些病人可能服用藥物效果會更好。

如果使用機器學習的診斷方法可以將精神疾病的診斷數(shù)字化和標準化，那么精神病患者或許可以少受一些歧視。想象一下，如果抑郁癥、精神病或者雙向情感障礙和心臟病在診斷上可以做到一樣客觀的話，那么精神病還會是一種特殊疾病嗎？精神疾病患者所遭受的歧視是否會消失？

目前 Chiu 教授實驗室研究的主要課題是激勵障礙，也就是抑郁癥和各種成癮癥狀。如果沒有計算機和機器學習方法的幫助，想靠人力從海量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)診斷和治療的模式根本不可能。

除了 Chiu 教授，弗吉尼亞理工大學醫(yī)學院生物醫(yī)學研究中心的 Brooks King-Casas 教授所進行的研究也是從機器學習算法中獲益。King-Casas 教授研究的主要對象是社會行為，比如正常人和精神疾病患者在處理人際交往中感覺和模式的不同以及大腦在其中的作用。King-Casas 教授說他的興趣是研究正常人和精神疾病患者在大腦決策過程的區(qū)別。

King-Casas 教授的實驗室正在研究如何將人類的決策過程進行分解并找出精神疾病患者的決策過程中到底哪一步出了錯。他使用了強化學習算法來實現(xiàn)決策過程的數(shù)字化，認為如果沒有強化學習根本不可能實現(xiàn)決策過程的分解。即便一個簡單的二選一決策，其研究團隊也開發(fā)了十種模型來進行解釋。

King-Casas 教授說：“其實可以把人類的大腦也當成一個模型，而我們的任務(wù)就是通過研究人類的行為開發(fā)與人類大腦決策過程最相近的機器學習模型。”

機器學習算法診斷面臨的挑戰(zhàn)

算法都是由人開發(fā)的，那么人所擁有的偏見也必然會被帶入算法和模型之中。人們有一種認為算法的一切判斷都公正的傾向，其實大謬不然。

如果無法消除算法中的偏見，那么由機器學習算法所做出的診斷也值得懷疑，尤其是精神病學這種有長期性別歧視歷史的學科。這種性別歧視即使到今天也沒有消除。世界衛(wèi)生組織的研究顯示，醫(yī)生給女性開出精神疾病藥物處方的概率比男性大。在疼痛的治療上也有這種性別歧視的現(xiàn)象存在，有些醫(yī)生認為女性會夸大自己所受的疼痛，所以對女性疼痛的治療并不如對男性及時。除了性別，對疼痛治療的歧視在不同種族之間也存在。

Chiu 教授說，保證機器學習算法中不出現(xiàn)偏見非常困難，只能盡量保證研究人員只關(guān)注自己的工作，來避免病人的精神健康歷史和所接受的治療對研究人員造成影響。另一種方法則是盡量實現(xiàn)團隊中研究人員和研究對象的多元化。

使用 fMRI 采集數(shù)據(jù)的過程需要精心設(shè)計，因為 fMRI 對大腦進行探測有大約兩秒鐘的間隔，而且從研究對象接受視覺刺激到血液流動到大腦特定部位也會有幾秒鐘的延遲。不同文化背景的研究對象也會對相同的刺激產(chǎn)生不同的反應(yīng)，比如顏色和數(shù)字在不同的文化中有不同的意義。

可供研究的對象太少也是一個問題，通常能夠募集到的參與者不超過一百人，而且研究對象沒有代表性。fMRI 購買和使用價格高昂，所以大部分研究對象都來自研究所附近的發(fā)達地區(qū)，而且以學生居多。這個問題不好解決，但是可以通過不同研究機構(gòu)之間的數(shù)據(jù)共享來增加數(shù)據(jù)的多樣性。邱教授所在的人類神經(jīng)造影實驗室就和倫敦大學學院、北京大學、貝勒醫(yī)學院以及夏威夷大學希洛分校有著數(shù)據(jù)共享的合作項目。

隨著機器學習算法越來越復雜，機器學習模型面臨著和大腦一樣的黑盒問題和信任問題?，F(xiàn)在只要有足夠的數(shù)據(jù)和計算能力，我們就能訓練一個模型來識別圖片中的一只貓，但我們很難準確說明算法到底是依據(jù)什么條件識別出圖片中的貓。機器學習模型對精神疾病的理解和我們?nèi)祟愓娴囊粯訂?？這個問題值得深思。

計算精神病學中存在的另一個問題是缺乏標準的參考數(shù)據(jù)。準確的說是，精神病學本身就缺乏完全正確能夠驗證的數(shù)據(jù)因為對精神疾病的診斷如前文所述是一個主觀的過程。如果用機器學習算法來判斷癌癥的話，我們可以進行組織活檢判斷算法預測的正確性。對精神疾病來說，目前并沒有所謂的“精神活檢”。在沒有標準參考數(shù)據(jù)的情況下，所進行的一切預測也都值得懷疑。

對精神疾病或者障礙的診斷與對其他疾病的診斷方法相比可謂十分有限，打個不恰當?shù)谋确骄褪遣怀檠?、不?CT 也不做心電圖就診斷出病人得了心臟病。雖然聽起來荒謬但精神病學的現(xiàn)狀就是如此，也許計算精神病學的出現(xiàn)可以為精神疾病的診斷提供客觀的診斷依據(jù)。如果計算精神病學研究真的能夠為診斷提供神經(jīng)學上的依據(jù)，這無疑是精神病學的一大進步。

由于精神疾病的診斷缺乏生物學上的客觀依據(jù)，精神疾病與患者表現(xiàn)出的癥狀很大概率沒有一一對應(yīng)的關(guān)系。不同的疾病可能出現(xiàn)相似的癥狀，而同一種疾病在不同個體的身上出現(xiàn)的癥狀可能也有所不同。即便是同一種癥狀，同一種疾病，出現(xiàn)的原因也大相徑庭。精神壓力等環(huán)境因素可能引起精神障礙，但隨著時間的流逝和環(huán)境因素的變化精神障礙可能自己消失。目前精神疾病的診斷和治療方法大概是這樣的：嗯，癥狀對得上，管你什么原因先來點抗抑郁藥吃吃試試。

計算精神病學的未來

弗吉尼亞理工大學生物醫(yī)藥研究中心的 Stephen LaConte 教授可謂是實時 fMRI 的先驅(qū)。他用機器學習方法將大腦作為一個整體進行研究，而不是只專注于大腦中的某一區(qū)域，說的簡單一點就是判斷大腦是否在工作而不去分辨是哪一部分在工作。

他研究的機器學習算法加上實時 fMRI 可以判斷研究對象此時是否在開小差。這在成癮治療和教育領(lǐng)域很有用，不過如果日后實時 fMRI 的價格能夠降低并且普及，那么對思想的監(jiān)控和實時 fMRI 的濫用肯定會成為一個問題，比如老板應(yīng)該是很想知道員工一天到底有幾個小時是真的用在工作上的。

LaConte 教授認為借助機器學習方法，研究人員可以直接使用大腦的反應(yīng)而非研究對象的行為來指導實驗。他希望將來我們可以通過針對性的思想鍛煉來提升大腦的功能，就好像通過打坐來提高注意力那樣。

我們不妨暢想一下精神病學的未來：算法驅(qū)動的診斷模型（模型判斷你大腦某處引起抑郁所以出現(xiàn)某癥狀）、有針對性的治療（大腦某部分引起的某癥狀的抑郁癥最有效的治療方法是吃某種藥）以及實時 fMRI 驅(qū)動的大腦鍛煉方法，結(jié)果就是精神病學屬于預防醫(yī)學的范疇了。

美國精神衛(wèi)生中心還能為弗吉尼亞大學醫(yī)學院的計算精神病學提供最少五到十年的經(jīng)費，King-Casas 教授預測到那時研究應(yīng)該到出成果的階段了。其他研究人員也對計算精神病學的發(fā)展前景持樂觀態(tài)度，只不過在具體技術(shù)層面還需要提高。

一直有新理論試圖對精神疾病進行“拯救”，其中有一些已經(jīng)隨時間消失了，但神經(jīng)化學和遺傳學還依然有自己的一席之地。我們需要說清楚的是計算精神病學也僅僅只是用來幫助病人的工具罷了。如果你覺得精神病學有機器學習加持就會推倒重來，那就大錯特錯了。