歷時8年終發Science，他證明老鼠有類人的想象力_風聞
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撰文 | 望鄉
“想象能力對人類社會至關重要，幾乎所有的發明都發生過兩次，第一次在想象中，第二次在現實中。”賴崇曦告訴《返樸》。
作為霍華德·休斯醫學研究所（HHMI）的博士後，此時的他本該異常興奮。因為他剛以第一作者身份，在11月2日的Science雜誌發表論文，揭開了一個顛覆認知的秘密：和人類一樣，老鼠也有想象力。它們會用想象，讓自己置身於之前探索過的空間，或將遠處的物體移動到某個特定位置。
這種想象遠離當前所處地點的能力，是記憶過去事件和想象未來可能情景的基礎。
“現在，我們發現動物也能做到這一點，而且我們找到了研究它的方法。”阿爾伯特·李（Albert K. Lee）説，他曾是HHMI 位於Janelia研究園區的課題組長，現為貝斯以色列女執事醫療中心的HHMI研究員。
前英國首相商業、能源和工業戰略特別顧問詹姆斯·菲利普斯（James W. Phillips）不吝對這項研究給予超高評價，“這是我所見過的神經科學領域最令人印象深刻的工作之一。我認為這項技術具有驚人的潛力，可以成為元科學機構實驗的焦點。”他曾是賴崇曦在英國劍橋大學讀博時的同學。
賴崇曦本人則略顯波瀾不驚，“這項研究時間很長，一共花了差不多8年時間，現在結果出來了，卻感覺沒有那麼興奮了。”但他很感謝“老闆”所給予的足夠支持和耐心，畢竟，“碰上有些老闆等不了，研究可能就砍掉了”。兩位“老闆”也是這篇論文的通訊作者，其一是阿爾伯特·李，另一位是HHMI的課題組長兼高級研究員蒂莫西·哈里斯（Timothy D. Harris）。
刻板印象：老鼠沒有想象力
老鼠的大腦確實比我們小得多，大約只有我們的拇指尖大小。以至在上個世紀，許多科學家仍然認為老鼠大腦只是簡單的刺激-反應系統。
在20世紀初期，行為主義在心理學和生物學領域佔據了顯著地位。這種理論的核心思想是，生物個體的學習和行為主要是通過對獎勵和懲罰的反應來驅動的。行為主義者認為，個體通過對環境中的刺激做出反應，並根據這些刺激的後果（獎勵或懲罰）來調整其行為。換句話説，行為主義理論強調的是外部刺激與響應之間的關係，認為這是行為形成的主要機制。
對此，美國加州大學伯克利分校教授愛德華·托爾曼（Edward Tolman）卻不以為然。他在1948年發表了Cognitive maps in rats and men，提出了一種被稱為“認知地圖”的概念，認為人和動物在探索環境時，會在大腦中形成一種對外部世界的心理表徵，這些表徵構建出心理模型來指導其行為。
換句話説，即使沒有獎懲機制，生物體的大腦仍然儲存了對環境的信息，並且進行了建模。
1971年，美國科學家約翰·歐基夫（John O’Keefe）為托爾曼的理論找到了在大腦細胞活動層面上的實據。他在老鼠大腦的“海馬體”區域發現了一種特殊的，用來表徵空間位置的神經細胞。
實驗過程是這樣的。他把電極記錄器植入老鼠大腦的海馬區，然後讓老鼠在一個陌生的房間自由走動。當老鼠走到一個特定的位置時，腦中編碼這個位置的細胞放電的頻率就會上升。歐基夫將這些細胞命名為“位置細胞”（Place cell），不同的位置細胞都對應着某個特定的位置，它們在大腦中形成了關於環境的地圖。因為這項發現，歐基夫獲得了2014年的諾貝爾生理學與醫學獎。
在人類的海馬體嚴重受損後，就會同時喪失回想過去和想象未來的能力，許多類似患者的病例研究都驗證了相同的情況。其中最著名的一篇論文，是德米斯·哈薩比斯（Demis Hassabis）及其導師在2007年發表的。後來哈薩比斯轉向產業界，創立了人工智能公司DeepMind，引領了當下的這波AI革命。
話説回來，這種人類在心理上將自我投射到過去，重新經歷過去的事情；以及把自我投射到未來，預先經歷未來事情的能力，有個專有名詞——心理時間之旅（mental time trave）。這是一種特定類型的想象，它跟時間、地點、人物、事件等記憶是緊密相連的。
那麼，老鼠會不會有心理時間之旅呢？
其實在顯微鏡下，齧齒動物和靈長類動物的腦組織非常相似，需要經過訓練的眼睛才能分辨出來。
而且，神經科學家以前曾解碼過齧齒動物大腦發出的信號，發現它們並不純粹是對感覺或移動指令的反應。例如當老鼠處於特定位置時，其對應的位置細胞變得活躍。科學家可以通過記錄位置細胞的活動，來確定它們的位置。
但是，對大多數人來説，僅僅知道自己在哪裏並不符合“想象”的標準，因為想象的內涵要超越眼前的情境。而且直到2010年，靈長類動物研究人員仍然聲稱老鼠缺乏“認知”。
沒有人有確鑿答案。
賴崇曦想研發出一種動物模式來系統性地研究：如果老鼠能夠不去特定位置，僅靠想象自己去往了特定位置，也能激活相應的位置細胞，那這種行為就非常接近於人類的心理時間之旅。
讀取“思維”
2014年8月，賴崇曦進入劍橋大學攻讀神經科學博士。彼時，他腦子裏已經開始構思和設計這個實驗。
2015年的一天，同窗菲利普斯和賴崇曦在湖邊聊天，他第一次聽到了這個項目的早期設想。他馬上認為賴崇曦是他在英國遇到的同輩神經科學家中那個最聰明、最有創造力的。多年後，他寫道，“當他第一次向我描述時，我覺得這就像是來自遙遠未來的東西，是一個巨大的概念飛躍，需要技術的進步和發現，再加上對概念的深刻理解才能實現。”
這個實驗的主要困難是，你無法告訴老鼠去想什麼或做什麼。你必須給它們一些暗示，比如獎勵它們做某個特定的動作。這種行為訓練既是一門科學，也是一門藝術。
同時，你也很難獲知老鼠的“所思所想”。賴崇曦想到了一個精巧的實驗設計：如果老鼠確實能夠思考和想象，那麼當誘導老鼠思考去某個特定地方時，就應該能夠以可預測的方式記錄下其所對應的位置細胞變得活躍起來。
為了探索老鼠能否做到這一點，他們採用了腦機接口（BMI）技術，通過手術將電極植入老鼠的大腦，讓老鼠通過空間想象在元宇宙中穿梭。這個實驗將老鼠放在360度沉浸式虛擬現實（VR）中的一個球形跑步機上，並在虛擬的世界中顯示一個目標，讓老鼠朝着這個目標奔跑。
當老鼠在跑步機上奔跑時，它的動作會在360度的屏幕上轉換，它在VR環境中的位置也會在屏幕上同步更新——就好像老鼠在真實環境中運動一樣。當老鼠到達目標位置時，它們會得到獎勵（水）。然後新的目標會在VR環境中產生，重複上述過程。老鼠一週就能學會這個任務。【視頻請前往“返樸”觀看】
在最初階段，研究小組記錄了位置細胞的活動。然後，他們使用人工智能解碼生物神經網絡的活動，從而計算出老鼠認為自己在虛擬現實任務中的位置。
接下來，他們進行一個以電影“Jumper”命名的任務。研究小組斷開跑步機，這意味着老鼠無法通過跑步達到目標。這逼迫它們只能利用大腦活動在VR環境中移動。當老鼠的大腦活動被解碼為位於目標區域時，它將往那個位置移動，一旦移動到目標位置，他們會獲得獎勵。
結果表明，這些老鼠確實可以只通過大腦活動導航到目標地點。從根本上説，老鼠利用思維導航，首先要思考它們需要去哪裏才能獲得獎勵。這種思維過程是人類經常經歷的。例如，朋友邀請你去一家熟悉的飯館相聚，你可能在出門之前就會想象沿途要經過的地點。
不過，Jumper試驗也暴露出一個問題，就是很難讓老鼠完全不動。人類也有同樣的體驗，當你所處的環境開始飄動時，你會不由自主地想要跟着環境動，很難阻止這種衝動。就算阻止住了，大腦也會產生一些信號，形成噪音。
為了解決這個問題，崇曦設計了第二項任務“Jedi”（指絕地武士，這是對電影《星球大戰》的致敬）。在實驗中，老鼠本身是靜止不動的，但必須僅利用大腦活動將屏幕上的物體“移動”到VR環境中的特定目標。這就像一個人坐在辦公室裏，想象拿起咖啡機旁的杯子並將咖啡倒滿一樣。研究小組隨後改變了目標的位置，要求動物產生與新位置相關的活動模式。老鼠們再次完成了這項任務。
研究小組發現，老鼠可以精確而靈活地控制它們的海馬體活動，這一點很可能與人類相似。一個令人驚訝的發現是，這些動物還能維持這種海馬體活動，將它們的思維停留在一個特定的位置達數秒之久——這個時間範圍與人類重温過去的事件或想象新情景的時間範圍相似。
至此，從科學的角度，這篇論文完成了對齧齒動物認知能力最令人信服的展示。從技術發展的角度，這項工作提供了一種讀取深度大腦組織（比如海馬體）中抽象信號的腦機接口方法。腦機接口雖然從上世紀90年代初就開始發展，但是都侷限於大腦皮層（特別是運動皮層），這是迄今為止第一次在動物的深度大腦組織中讀取認知地圖活動的工作。
發現與發明的循環
賴崇曦對大腦功能，特別是對“想象”異常着迷。
在很大程度上，他的興趣受到《尋找記憶》（In Search of Memory）這本書的引導。該書由神經科學家埃裏克·坎德爾（Eric Kandel）所著，書中不僅展示了他的個人生活和職業生涯，還介紹了神經科學的發展和重要發現，以及記憶的本質和意義。
關於想象力對人類的作用，賴崇曦推崇英國哲學家大衞·休謨（David Hume）的觀點：所有人都可能受到想象力的支配，沒有想象力，就沒有社會的安排。
正是對大腦如何產生想象的好奇，驅動賴崇曦在8年多的時間裏聚焦於此。
儘管賴崇曦的構想和設計十分巧妙，卻苦於沒有現成的海馬體腦機接口工具。“這種深度組織的腦機接口根本就不存在，所以我們要做一個全新的東西。” 一個侵入式腦機接口包含三個部分，第一步是細胞大小的微電極構成的陣列，用來讀取神經細胞的電信號。第二步是神經活動在線分析的工具，把原始的電信號轉化為脈衝信號，正是這些神經脈衝信號在大腦中完成了對外部世界和自身思維的神經編碼。第三步是解碼器，解碼器把來自大量細胞的脈衝信號轉化為可解釋的變量，比如説空間位置。賴崇曦説，他們從頭構建了一個基於現場可編程門陣列（FPGA）的在線分析工具來輸出神經脈衝信號，僅這一步就花費了4年時間。
發現位置細胞的歐基夫曾親口告訴賴崇曦，他早在上世紀90年代就想要組織工程師做這個工具。但直到2016年以後，才陸續有一些可用的工具研製出來。
“我們完成的是為數不多的在線神經記錄分析工具裏面最先進的，精度最高的，速度最快的。也是唯一能在一毫秒內讓解碼器獲得單個神經細胞，單個神經脈衝信息的FPGA芯片。技術指標的突破打開了諸多科學研究的可能性。深度大腦組織的腦機接口是其中的一項。”賴崇曦告訴《返樸》。
在菲利普斯看來，在傳統研究中很難做到將工程與發現長期齊頭並進，但賴崇曦他們的研究給出了一個很好的案例，實現了“發現與發明的循環”。當賴崇曦開始這個項目時，他把重心首先放在技術上，希望能一次記錄比他開始時多一個數量級的神經元，並能在一毫秒而不是幾小時內解碼這些神經元的含義。同時能處理的神經元數量和精度是解碼質量的關鍵，處理神經信號的速度越快，留給解碼器的時間預算就越充分。
解碼器和在線記錄分析工具同樣重要，常規的解碼器對噪聲非常敏感，這些噪聲可能來自於想象本身，也可能來自於微電極在大腦中位置的微小變化。為了解決這些困難，賴崇曦使用最先進的AI算法來完成去噪的過程。在把自研的FPGA芯片應用到具體實驗後，賴崇曦他們着手建立與VR的映射關係，VR編程，動物行為訓練等，記錄並分析數據，並在這個過程中不斷優化AI解碼器，這些工作又花費了4年時間才最終成文。
萊斯大學的教授Caleb Kemere 在Science雜誌的觀點專欄裏寫道：這一發現是大腦機器接口（BMI）應用從感覺運動功能到更為認知領域的激動人心的擴展，並暗示海馬體活動受到意志的控制。
未來，賴崇曦希望基於這項成果，去做偏臨牀方向的研究。他認為所有這些工具鏈都可以用在人類身上。把微電極植入在深度大腦組織中，在線分析的神經活動再進行AI解碼，讀取抽象思維並去噪，然後根據需要對大腦或環境進行操縱。通過這類工具對大腦進行讀寫，這在未來是可能的。
賴崇曦相信，這套工具鏈在臨牀和基礎研究上都有巨大的用途。
參考文獻
[1] https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh5206
[2] https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.04.07.536077v1
本文受科普中國·星空計劃項目扶持
出品：中國科協科普部
監製：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
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