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虚胜实,利用电脑游戏破解大脑

作者:大象公会 来源:大象公会 公众号
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04-16

本文由《Nature 自然科研》授权转载,欢迎访问关注。




原文作者:Liam Drew

且看虚拟现实动物实验是如何揭开大脑奥秘的。

一只小鼠嗖的一声穿过一条过道,两侧墙上的单色条纹和格子图案不断变换。但是,这个过道不是真的,一切都是模拟实验的一部分——飞奔的小鼠脚下踩的是一个泡沫跑轮,跑轮被固定在一个穹顶形投射屏幕内部。

在一项虚拟现实实验中,一只小鼠正在跑轮上跑动。

来源:Olivia Harris

这边的小鼠正沉浸在它的虚拟世界里,另一边,神经科学家Aman Saleem正在观察小鼠的大脑细胞是如何运作的。对小鼠视网膜的光刺激会激发电脉冲,电脉冲会到达初级视皮质的神经元,而Saleem已在这些区域植入了电极。


教科书上说,这些神经元每一个都会对特定刺激做出响应,比如水平线或垂直线;因此,输入相同的图案应会诱导相同的反应——可情况并不是这样。当这只小鼠遇到了与之前相同的场景时,它的神经元会以不同的模式放电。


Saleem的实验室位于伦敦大学学院,他在那里告诉我说:“如果你在五年前告诉我这个结果,我会说:‘那不是真的,那是不可能的’。”他的研究结果已于去年9月发表,他发现海马区内追踪小鼠奔跑位置的细胞在某种程度上能改变视皮质内细胞的放电方式。换句话说,小鼠神经元对两个相同场景的表征是有差异的,一切都取决于小鼠对自己所在位置的感知。


体验可以改变动物对世界的认识,这不是什么新发现。任何大脑都会从经验中学习,结合多种信息来源,构建出对现实的知觉。但研究人员曾认为有部分脑区,至少是感觉器官中最先处理输入信息的那一部分,能相对真实地表征外部世界。根据这一模型的说法,这些表征会传递至“关联”区域,在那里与记忆和预期结合,最后产生感知。


科学家现在知道这个理论过于简单化了,这种观点主要基于20世纪的一系列研究:当时神经科学家通过麻醉或固定动物的方式,测试它们的大脑对被动呈现给它们的刺激会作何反应。在2010年一项具有里程碑意义的研究中,研究人员将视觉研究向前推进了一步:他们固定住小鼠的头部,操控小鼠看到的内容,同时让小鼠站立或在球上奔跑。研究发现,小鼠运动时的视觉神经元放电速度是不运动时的两倍之快。这一发现带动了一连串的后续实验,研究人员发现动物的行为会改变整个大脑的活动 ,包括感觉区域对外部世界的响应方式。“这些结果是颠覆性的,”美国冷泉港实验室的神经科学家Anne Churchland对此评价道,“我认为这只是冰山一角。”


虚拟现实(VR)技术并不是往下深挖的唯一途径。神经科学家已经可以同步记录实验室自由活动动物的多个脑区活动。但在过去十年里,几十个团队尝试将小鼠和大鼠放入VR模拟场景中


Saleem说经常有人问他是否有必要开展这类研究,他会回答说:如果不这么做,他的大部分实验都无法进行。在VR中,动物的自主性更强,因为它们所看到的是经过编程的世界,会对它们的运动产生响应——就和真实世界一模一样;同时,研究人员仍对实验保持着严密的控制,他们可以任意增加、减少或改变感觉输入。Saleem团队还不忘呼应一下《黑客帝国》(《黑客帝国》讲述了人类在虚拟世界中生活的故事)——团队成员照搬了电影人物名,将VR设备的不同部分分别取名为尼奥、崔妮蒂和墨菲斯。


固定住动物的头部,让它们进入比真实世界简单得多的VR世界,让人不禁要问:大脑处理虚拟现实和大脑处理研究人员所谓的“真实”现实会一样吗?不管怎样,在寻找答案的过程中,VR研究人员也发现了更多方法和途径,去理解大脑是如何构建对外部世界的感知的。加州大学旧金山分校从事视觉研究的神经科学家Michael Stryker是这项2010年突破性研究的作者,他说:“VR是给整个神经科学的一剂强心针。”

虚虚实实

早在20世纪60年代,研究运动的生物学家就曾绑住果蝇头部,让它在乒乓球上爬行。随着本世纪初VR的迅速兴起,神经科学家再次应用起了这些方法。


VR技术能让动物错以为自己正在自由活动——即使在其头部无法动弹的情况下。这让研究人员可以使用复杂的脑部记录技术,如从神经元内部进行电信号记录,或是利用光学显微术成像大量的神经元。果蝇再次被固定在了球上,或是在头部固定的情况下在风洞里“飞行”。研究斑马鱼幼体的研究人员将斑马鱼的头部固定在琼脂块中,让其尾部任意摆动,就像在游泳一样。斑马鱼和果蝇研究让科学家看见了简化版的神经环路活动。但其他研究人员更希望研究更加复杂的哺乳动物的大脑,比如我们人类的大脑,他们尤其感兴趣的是大脑皮质——脑皮质是有多层结构的大面积神经元层,对哺乳动物的智力发育起到了关键作用。


研究人员早在2005年就报告过一个用于大鼠的VR系统原型,但一直到普林斯顿大学的David Tank小组建立了小鼠可用的VR模拟器后,这一方法才逐渐成为主流。Tank当时研究的是小鼠的内在导航系统:海马区及其附近脑区的细胞可以帮助动物追踪空间位置。研究团队在大鼠脑内植入电极,让其在大型密闭空间内自由移动,并记录它们的脑细胞放电情况,由此率先描述了这种导航系统——这项突破性成就获得了2014年的诺贝尔生理学或医学奖


但Tank当时希望利用更精细的细胞内电极,发现神经元放电的更多细节。这就需要固定住小鼠脑部,但这也会让导航系统失去发挥空间。于是,Tank和现就职于哈佛医学院的Chris Harvey发明了一种很有场景感的虚拟世界,可以重现移步换景的变化。2009年,该团队在一篇论文中报告了他们的小鼠VR系统,通过多重感觉输入流绘制了一幅空间地图,首次描述了海马神经元的内部工作机制。


伦敦大学学院的神经科学家Aman Saleem和他身后用于模拟的穹顶形VR设备。

来源:Olivia Harris for Nature

这项研究在过去几年掀起了哺乳动物VR研究热。Stryker等实验室在Tank的设计基础上对实验装置进行了改造,比如Saleem 的设备能从导航细胞和视觉细胞内部进行记录,分析它们之间的相互影响。在霍华德·休斯医学研究所的Janelia研究园里,你会看到小鼠在一片漆黑的环境里在跑步机上爬动,胡须两边的平板时而靠近时而远离,让小鼠误以为自己身在一个会伸缩的通道里。在美国的西北大学,球形跑步机上的小鼠会追随气味奔跑,而气味会随小鼠的步伐改变强弱。“有很多不同的实验版本和形式,”Tank说,“就像一个完整的生态系统。”


我们很难知道动物对这些虚拟世界的体验是怎样的。研究人员经常做出以下类比:沉浸在赛车游戏中的玩家知道自己不是真的在开赛车,但他们的大脑能够执行高效的处理任务,激活和真实驾驶一样的视觉处理过程。在解读VR实验时,科学家的主要困扰在于,虽然投射的图像会随小鼠的运动同步改变,但其他感觉输入,如渐变的气味、声音和胡须传递出的感觉,却无法实现同步。此外,头部固定的小鼠无法接收到头部移动或平衡的信号,这也和现实世界不同。研究人员希望利用各种输入内容,揭示海马导航系统是如何产生位置感觉的,而上述问题无疑都是重大障碍。


2015年,加州大学洛杉矶分校的神经科学家Mayank Mehta报告称,在二维VR系统中运动的大鼠,与在等同复制的真实房间中活动的大鼠相比,其海马区的神经元放电方式存在差异,前者的放电程度较弱。(Mehta通过在房间窗帘上打印图案,重现VR场景。)Mehta说,在真实世界中,触觉、嗅觉和听觉线索能够同步变化,加上大鼠可以自然移动头部和身体,这会让导航系统的运作机制与模拟中的有所不同。


但Mehta的结论并没有浇灭科学家对VR的兴趣。因为他和其他研究人员已经表明,当啮齿类动物沿着笔直的过道行进时,其神经元放电模式在VR和真实世界中是相似的。最新的二维VR系统可以让啮齿类动物的身体在球形跑步机上旋转,从而产生自然的平衡和运动信号。研究人员发现,神经元对虚拟世界和现实世界中的空间的表征具有相似性。


Mehta表示,研究人员正在利用这些实验探索在何种程度上,虚拟现实会真实到大脑无法辨别出差异。另一种类似的技术是增强现实(AR),增强现实可以让小鼠在实验空间里自由活动,而研究人员可以通过向墙上投射不同的图案,操控它们所看见的内容。虽然科学家无法在这些实验中使用特定的神经元记录技术,但他们能够看到哪些输入会影响大脑的空间知觉。


挪威科技大学的神经科学家Edvard Moser表示,只要科学家能意识到这些细微差别,VR就是一大利器。Moser因其在大脑导航系统方面的研究成果,与他人共同获得了2014年的诺贝尔奖。

不可能的世界

谈到VR的真正强大之处,Moser表示,“它让你能够任意改变一部分环境因素,同时保持其他因素不变”。模拟似乎还能打破物理定律。在自然世界中,如果动物以一定速度奔跑,它的视觉输入也会以相同的速度变化;但是在VR中,这种关联可以被打破。


神经科学家一直想知道,动物穿过空间时的感觉更易受到关于运动行为的内部信号影响,还是更易受到眼前画面的影响。去年,斯坦福大学的Lisa Giocomo考察了向海马输送信息的神经元,并通过VR试验表明:如果外部世界高速移动,比如森林中奔跑的动物所看到的树木,视觉信号就会主导这部分导航系统;如果这些信号的移动速度减慢,比如动物目测自身与远处山脉的相对位置时,动物自己的运动信号就会占据主导地位


Georg Keller是瑞士巴塞尔的弗里德里希·米歇尔生物医学研究所的一名神经科学家,他也操控了小鼠的运动及其视觉信息之间的联系。2016年,他在论文中报告称,如果一小段虚拟过道不随小鼠运动发生同步变化,那么,他所称的“错配细胞”就会开始放电。Keller认为这些细胞帮助小鼠探测到了那些与其自身运动结果无关的信号。


他认为这一结果支持了一种由来已久的理论——最早可追溯至上世纪40年代,即大脑可以不断预测接下来会遇到什么,而皮质区域可以检测到实际与这些预测之间的偏差。在这个模型中,小鼠对下一步会看见什么的预测,部分来自于它对过去场景的记忆、导航追踪能力以及它自身的运动。而这种预测会影响视觉皮质中神经元的放电方式。


另外一些VR实验表明,小鼠学习到的东西也会影响视皮质活动。2018年,英国爱丁堡大学的神经科学家Nathalie Rochefort 报告称,在她开始在虚拟过道的特定位置放置奖赏——解渴的水——之后,小鼠视皮质对过道的表征发生了巨大变化。一开始,所有过道区域在视皮质中产生的神经元活动是相同的,但在“奖赏区”的重要性逐渐凸显之后,视皮质的大部分神经元开始只在这些区域放电。


对啮齿类动物的大脑进行了几十年的深入研究后,科学家还想利用VR验证这些结论是否同样适用于大脑更接近于人类的灵长类动物。比如,华盛顿大学的Elizabeth Buffalo就利用VR证明,灵长类的海马区和啮齿类的海马区一样,也含有能在虚拟世界特定位置放电的“位置细胞”。她在实验中让猴子通过移动操纵杆,穿梭在投射的Y型迷宫中。Buffalo想测试猴子记忆模拟路线的能力,从而分析海马区的空间表征能力如何与其重要的记忆功能产生交叉。“我们喜欢VR的原因在于它能让我们部署各种各样的行为任务,”她说,“让我们发现新问题。”

更真实的现实

纽约大学的神经科学家David Schneider说,过去十年的VR研究让科学家不再把个别脑区与特定任务处理严格对应起来。很长的一段时间里,科学家都在疑问感觉神经元是如何对画面、声音、味道和材质做出响应并放电的。他说,科学家现在已知感觉皮质的神经元“表征的是外界某种特征与动物正在执行的行为的某个方面的交叉”。如果研究人员只给被固定住的小鼠看一些画面,初级视皮质的细胞只会单纯地编码这些视觉刺激;但是给活动的小鼠看移动的画面时,这些活动显然也会影响这些神经元的活动。如今,科学家正在进一步研究小鼠的位置知觉、预期和学习到的关联,显然,这些因素也可以解释视皮质的某些神经元活动。


剑桥大学的神经科学家Jasper Poort正在协助开发一款头戴式摄像系统,它可以追踪小鼠的头部和眼部运动。他们的设想是让研究人员可以监测自由活动的小鼠所看见的内容,而不用将小鼠头部固定不动。他预测,如果能在更复杂的环境中观察动物执行更复杂的行为,我们就会发现记忆、注意力和其他脑功能对早期感觉加工具有更大的影响。他说:“不同的实验方式可能得出完全不同的结果。”


Schneider补充表示,今后50年,基于VR实验数据建立起来的模型,可能仍会让科学家觉得过于简化。但Stryker说:“从长远来看,随着技术的不断进步,虚拟的成分会越来越少。”而就目前来看,沉浸在电子游戏中的小鼠仍能完成富有成效的实验,他说:“真实现实不易用来实验。”

原文以The mouse in the video game为标题

发布在2019年3月12日《自然》新闻特写上


Nature|doi:10.1038/d41586-019-00791-w




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