解码脑部扫描 破译人类思想

通过扫描大脑活动，科学家试图破译人们的思想、梦甚至意图。然而，设计一个模型来解码大脑是非常困难的。

通过分析大脑扫描的细节，计算机程序推测出参与者看到了什么。

资料来源:KEVORK DJANSEZIAN/GETTY

杰克·格兰特正坐在加州大学伯克利分校的实验室里。他盯着电脑屏幕，试图解读某人的想法。

屏幕左侧是一些视频剪辑:格兰特在大脑扫描时向研究参与者展示了这些电影。在屏幕的右侧，计算机程序正在分析大脑扫描的细节，以便猜测参与者正在看什么电影。

安妮·海瑟薇的脸出现在电影《新娘的战争》的剪辑中，她正热情地与凯特·哈德森交谈。计算程序清楚地用“女人”和“说话”这两个词来标记它们。在另一部展示水下野生动物的短片出现后，该节目继续“挣扎”，并最终提出了“鲸鱼”和“游泳”等假设。

“这是一只海牛，但它不知道它是什么。”格兰特说。研究人员还需要通过展示一系列由图像和电视剪辑触发的大脑活动模型来训练这个程序。他的计算机程序遇到了大型水生哺乳动物，但没有遇到海牛。

来自世界各地的研究小组正在使用类似的技术来尝试解码大脑扫描，以破译人们所看到的、听到的、感觉到的、记得的甚至做梦的东西。据媒体报道，这些技术带来了“从幻想到现实”的读心术，“可以影响我们做任何事情的方式。”

尽管一些公司已经开始使用市场研究和测谎仪来解释大脑，但科学家们更倾向于使用相关技术来探索大脑本身。格兰特和他的同事试图发现不同大脑模型背后隐藏的东西，并希望找到大脑用来感知外部世界的代码和算法。他们希望这些技术能告诉他们控制大脑组织的基本原则，以及它如何编码记忆、行为和情感。

超越生物学

解码大脑的提议始于10年前。当时，神经科学家意识到，他们使用功能性磁共振成像(fMRI)获得的大脑扫描中有许多未开发的信息。为了分析大脑活动模式，科学家将大脑分成不同的立体像素——像素的三维等价物，并主要致力于解决哪些立体像素最能反映刺激。最后，研究人员得出结论，哪些区域负责处理面部表情。

解码技术将检查大脑扫描中的更多信息，通过强反应和弱反应来识别大脑活动的更精细模式。例如，以前的研究已经证明，物体不仅是由非常活跃的小区域编码的，而且是由分布更广的阵列编码的。

一旦程序获得足够的样本，它就能推断出受试者在看什么或在想什么。这些已经超越了分割大脑块。对这些模型的进一步关注使研究人员能够从问诸如“大脑的哪一部分”这样的简单问题转向证明关于心理过程本质的假设理论。德克萨斯大学的功能磁共振成像专家拉塞尔·波尔德瑞克说，解码使研究人员能够检验现有的预测大脑如何执行任务的心理学理论。

格兰特的实验室使用了第一人称战争主题的电子游戏“反恐精英”，试图验证他们是否能够破译向左或向右行走、追击敌人或开火的意图。然而，他们只能解码来回走动的意图，并且所有其他功能磁共振成像数据中的信息都淹没在参与者的情绪中。

梦也是如此。*际电气与通信基础技术研究所计算机神经科学实验室的Yukiyasu Kamitani和他的同事让受试者在扫描仪中睡觉，然后定期叫醒他们，回忆他们看到的东西。研究小组首先试图重建梦里的真实视觉信息，但最终还是转向了各种关键词。然而，本研究的预测准确率约为60%。

逆向工程

对大脑进行解码取决于大脑活动和外部世界之间的相关性能够得到证实这一事实。如果你只想用一个简单的大脑信号来指挥机器人手臂，那么简单地识别这些联系就足够了。然而，格兰特和其他人希望做得更多，试图找出大脑是如何组织和存储信息的。

格兰特说这项工作不简单。每个大脑区域从其他区域网络获取信息，并将它们联系在一起，这也可能改变其表达。神经科学家必须了解每一点发生了什么变化。但是与其他工程项目不同，大脑不是按照特定的规则组合在一起的，而是对人类思维和数学模型有意义的。

“我们没有设计大脑，我们想计算它是如何工作的。”格兰特说，“我们真的没有一个公式来模拟这样的系统。”即使有关于每个大脑区域内容的足够数据，研究人员也可能无法获得一系列公式来描述它们、它们的关系以及随时间的变化。

英国剑桥医学研究委员会认知与脑科学部的计算神经科学家尼古拉·克里格斯科特指出，即使视觉信息是如何编码的，也很难理解——尽管视觉系统是大脑中最知名的部分。“视觉是人工智能中的难题之一，但我们认为它比下棋或证明定理更简单。”他说。

然而，有许多问题需要认真处理:神经束如何描绘面部和其他事物，信息如何在视觉系统的不同区域之间移动，以及代表面部的神经代码如何变化。从下到上，从神经到神经建立模型太复杂了。Kriegeskorte的团队正在比较现有的视觉模型和大脑数据，以确定哪种组合最合适。

真实世界

设计一个模型来解码大脑是非常困难的。解码器通常基于个人大脑，除非他们必须计算非常简单的东西，比如二进制选择——不管人们是在看图A还是图b。然而，几个研究小组正在设计一个通用的模型。“每个人的大脑都有点不同。”新罕布什尔州达特茅斯学院的吉姆·哈克斯比说。他还致力于相关研究。目前，他说，“你只是不能很好地安排这些大脑活动模型。”

标准化对于许多流行的大脑解码应用可能是必要的，这可能涉及到解释人们隐藏的或无意识的想法。虽然这些应用程序尚未实现，但一些公司渴望尝试。伦敦大学学院的约翰-迪伦·海因斯说，他最近与戴姆勒汽车公司取得了联系，该公司询问是否有一个项目可以破解隐藏在市场研究主题中的偏好。

海恩斯指出，这一程序原则上是存在的，但目前的方法无法回答人们更喜欢30种不同产品中的哪一种，“我确信传统的市场研究技术现在要好得多”。海因斯也在进行一项研究，参与者进入和退出几个虚拟房子，然后研究人员在他们移动到另一个区域时扫描他们的大脑。

初步结果显示，研究小组能够确定受试者之前参观过的房子。这表明，这种技术可能会揭示受试者以前是否见过犯罪现场。在这些研究发表之前，海恩斯立即指出了在执法机构中使用这种技术的限制。如果一个人在一栋楼里却不记得了怎么办？嫌疑人也可能愚弄解码器。

其他科学家也否认通过解码可以正确揭示埋藏的记忆。即使不考虑其他因素，你也需要一台价值300万美元的15吨功能磁共振成像机。现在，心理学家更加依赖更廉价的方法来理解人们的想法。“在这个时候，知道一个人在做什么的最好方法是问他们。”海因斯说。(张张)

《中国科学新闻》(第三版国际，2013年10月28日)