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解码大脑:从技术上实现“读心术”



2013-12-31 09:25:42            来源:转载


 英国《自然》杂志在近日的报道中称,科学家正试图通过扫描大脑活动,破译人们的思维、美梦,甚至在人们自己意识到之前发现他们的意图。但是,设计出一个解码大脑的模型非常困难。迄今为止,科学家们仍然处于尝试阶段。不过他们坚信,解码大脑在理论上是可行的,在未来,“读心术”应该不会只是神话故事里才会出现的“巫术”。

 解码大脑:我的未来不是梦

 神经学家杰克·格兰特坐在自己位于美国加州大学伯克利分校的实验室里,双眼紧盯着电脑屏幕,这台电脑正尝试着破译某个人的思维。

 在屏幕左边,有一些视频剪辑,在对受试者的大脑进行扫描时,格兰特会向他放映这些视频剪辑。在屏幕右边,计算机程序仅仅利用这些扫描细节,来猜测受试者当时看到了什么内容。

 视频剪辑取自于美国两大“甜心”凯特·哈德森和安妮·海瑟薇主演的爱情轻喜剧《结婚大作战》。在视频中海瑟薇正与哈德森热烈地交谈。计算机程序明确地用大写字母为这段视频贴上了“女人”和“交谈”等字眼;接下来,另一端视频剪辑出现了,这是一部野生动物纪录片中的一段水下画面,这次计算机程序犹豫良久,最终尝试性地使用小字体写下了“鲸鱼”和“游泳”等字眼。

“其实画面中出现的是一头海牛,但计算机程序并不知道它是什么。”格兰特说。他解释道,计算机程序就像冥顽不灵的学生,他们必须通过向该程序展示图像和视频片段所触发的一系列大脑活动模型来训练程序。他的计算机程序以前曾经“见过”大型水栖哺乳动物,但从来没“见过”海牛。

 在全球各地,有不少研究人员都在使用类似的技术,试图解码脑部扫描结果,从而破译人们的所思所想、所听所看、所记甚至所梦。

 有媒体报道称,这些技术将一直以来神秘的读心术“从幻想带到现实”,并且“可能影响我们做任何事情的方式”。英国《经济学人》杂志甚至警告其读者“小心为妙”,并且表示,科学家们在不久的将来就能通过大脑扫描实现心灵感应。

 尽管有不少公司开始将大脑解码技术应用于市场调查和测谎等领域,但科学家们对使用相关技术了解大脑本身更感兴趣。格兰特团队和其他人正奋力挖掘那些不同的大脑模式背后潜藏的秘密,而且他们也希望找出大脑用来感知周遭世界的代码和算法。他们希望这些技术能够告诉他们统辖大脑组织的基本原则以及大脑如何对记忆、行为和情绪编码等。

 格兰特说,要想让这样的技术不局限于为图像和电影编码,其复杂性需要更上一层楼。他破解视觉信息并非因为这些信息是大脑里最有意思的信息,而是因为它们是大脑里最容易被破译的信息。这也是他有生之年唯一有望完成的一项工作。不过从理论上来说,可以用这种技术破解大脑里的所有信息。

 超越生物学:墙内开花墙外香

 解码大脑的计划始于10年前。当时神经系统学家认识到,他们使用功能性磁共振成像(fMRI)得到的脑部扫描结果中,很多有用的信息未被开发利用。功能性磁共振成像可以发现我们大脑内哪些区域的供血比较充足(这些区域在扫描图像上会以彩团的形式呈现出来),由于生理活动需要大量的血液供应,所以我们可以据此判断,大脑哪些区域的活动比较多。

 为了分析大脑的活动模式,科学家将大脑划分成不同的名叫“立体像素”的小盒子,立体像素是电脑像素的三维等价物。科学家们希望通过研究厘清哪些像素对刺激(比如看到一张人脸)的反应最强烈。通过将那些对刺激反应最弱的立体像素弃之不用,科学家们可以知道,大脑的哪个区域负责处理与人脸有关的信息。

 大脑解码技术会对大脑扫描获得的信息进行审查,当然它并不会询问大脑哪个区域对脸部的反应最强烈,而是使用强弱应答来鉴定更细微的脑部活动模式。因为之前有相关研究已经证实,某种信息并不仅由大脑的某一区域编码,而由多个分布范围更广的区域共同负责、协同完成编码。

 这些记录会被“填入”一个“模式分类器”内,这个所谓的“模式分类器”其实是一个计算机程序,其能学会与每幅图片或每个概念有关的模式。一旦该程序获得足够的样本,它就能推断实验对象的所看所思。

 而对这些模式的进一步关注则能让研究人员从询问“在大脑的什么地方”这样简单的问题中跳脱出来,专注于测试与心理过程的本质有关的假设,比如询问与记忆的强度和分布等有关的问题,这些问题已经困扰科学家们多年。

 美国德克萨斯大学的fMRI专家罗索尔·保德雅克认为,大脑解码技术使研究人员能对现有的预测大脑如何执行任务的心理学理论进行检视。

 在此前的研究中,科学家们已经证明,他们从这些模式中获得的信息足以告诉他们,实验对象正在观看哪类物体——剪刀、瓶子还是鞋子。“它们表现得这么好,让我们非常吃惊。”美国新罕布什尔州达特茅斯学院的吉姆·哈斯比表示,2001年,哈斯比领导了首个大脑解码研究。

 随后,分别有另外两个研究团队使用这一解码技术证实了人脑组织的基本原则。在实验中,科学家们分别将电极植入猴子和猫的大脑内,其大脑内有些视觉区域会对边角的方位作出强烈反应,将这些边角结合在一起,可以构建出一幅世界的图像。而在人脑中,大脑内这些对边角作出强烈反应的视觉区域太小,使用传统的fMRI技术无法发现它。

 但通过对fMRI数据使用解码方法,当时在伦敦大学学院工作的约翰-迪伦·海恩斯、杰兰特·雷斯和日本国际电气通信基础技术研究院脑情报研究所(ATR)的神谷之康以及目前在美国范德堡大学工作的弗兰克·唐在2005年证明,与猴子和猫实验中出现的情况一样,边角的图像也触发了人类大脑非常具体的活动模式。研究人员向受试者展示了朝向不同方位的线条,而且不同的立体像素马赛克会告诉该研究团队,受试者正看向哪个方向。

 在2008年,边角变成了更加复杂的图片,当时格兰特的研究团队研制出了一种解码器,其能够找出一名受试者正在观看120幅图片中的哪一幅,这是比推断一幅图片属于哪个大类更大的挑战。此后不久,他们又朝前迈进了一步,研发出了一种解码器,其能够基于实验对象的大脑活动,生成一部实验对象正在观看什么的看起来很粗糙的电影短片。


责任编辑:祁凯琳

 

 
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