脑机接口创造“第六感”:激活特定神经元,大鼠训练出新感官,逃出水迷宫,像用视觉一样轻松

量子位 · 2019-09-17
盲人福音。

编者按:本文来自微信公众号“量子位”(ID:QbitAI),作者栗子 鱼羊,36氪经授权发布。

路痴有救了。

宾夕法尼亚大学的科学家们,借由脑机接口,给了大鼠一种神经刺激,帮它们找到对的方向。

原本,在水迷宫里游泳的大鼠,看不到藏在水下的目的地。但收到刺激之后,大鼠会把这当做一种新感官,学着利用它,顺利游到指定的位置。

注意,大鼠在实验之前从没接收过类似的刺激,可训练过后习惯了这样的设定,运用起“第六感”,就像运用视觉一样熟练。

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眼睛看不到目标位置,也能在5秒内准确到达。

遇到障碍物也不会迷惑,果断绕行,轻松找到目标:

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仿佛大脑植入了地图App一样丝滑。

更厉害的是,在不同的刺激模式下,大鼠探索世界的策略还会发生变化:之字形环形两种路径,各有各的优势。

也就是说,当身体里的“传感器”发生变化,动物的运动策略也会跟着调整。

说不定有一天,视障小伙伴们也能拥抱新的感官,更轻松地出门、去到新的地方。

而这项奇妙的研究,刚刚登上了顶尖期刊PNAS (美国国家科学院院刊) 。

第六感如何被创造?

科学家们用了一种名叫ICMS(经颅微电流刺激)的刺激方式。

ICMS一次激活十个左右的神经元。这就是说,不是激活整个大脑区域,而是向特定的区域传递信息。相比于直流电刺激之类的方法,ICMS更精确,更有针对性。

科学家把一对大脑皮层双极刺激电极,植入了成年大鼠脑内。

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具体的测试实验,就是经典的Morris水迷宫。大鼠被放到水池的中心,而水池里只有一个隐藏的水下平台可供站立。

对这个经典实验,科学家们做了一个小改动,把平台的位置改为随机,也就是说,大鼠不仅看不到平台,也不能凭借记忆找到平台位置,唯一可以依靠的线索就是ICMS引起的感知。

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但是,仅仅给大脑提供一个刺激是不够的。想要创造新的感官,大脑就要学习利用刺激,才能像使用天生而来的视觉、嗅觉那样,处理外部的信号。

要实现这个目标,就要对大鼠进行训练。

实验中,摄像机以每秒12帧监控大鼠的游泳路径。只要大鼠的前进方向,是在目标方向的一定范围内(比如<15°、45°、90°),就给它一个刺激。

像这样:

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大鼠的预训练实验

在视频监控的单独一帧中,可以看到目标方向和大鼠前进方向之间,存在一个夹角。

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当这个夹角小于设定的范围时(可以是15°,45°,90°等等),就判断前进方向正确,无线发射器会以超阈值强度、100Hz的频率发射脉冲电流。而当夹角大小超出了范围,判断大鼠游偏了,就不传递刺激信号。

最初接收到神经刺激,大鼠还一脸懵比,不知道自己受了什么刺激,也不懂得怎么利用,花了23秒才找到绿点:

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但如此这般,进行了100到200次的训练之后,大鼠就学会了处理刺激信息,方向感飞速提升,直奔目标毫不费力,这次只用了5秒

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学习后的大鼠

实验结果还显示,如果以大鼠能看到平台位置 (绿点) 时的表现为基线,刺激范围是15°以内时,大鼠游到终点消耗的平均路程,非常接近使用视觉时候的基线水平

也就是说,仅仅在一两百次训练之后,大鼠使用起这个后天“第六感”,已经跟使用天生的视觉一样熟练了。

不过,如果把刺激范围进一步减小到5°以内,效果反而变差了。

另外,设定不同的刺激范围,大鼠学到的探索世界的策略也有所不同:

如果设置偏离90°以内就施加刺激,大鼠便习惯了环形运动。

这样,可以快速试过所有方向,便于找到正确的方向。

如果设置偏离45°以内、甚至15°以内才施加刺激,大鼠便掌握了之字形的前进方式。

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大概是因为,这种情况下接受到的刺激更准确,不需要再用转圈圈的方法,试遍每个方向了。

更加有趣的现象是,当一只大鼠按照正常的训练流程获得了“第六感”之后,换个套路:反过来在大鼠游偏时给予刺激,方向正确的时候不给刺激。

这样再次训练,大鼠又适应了新的传感器,依然获得了和视觉一样好用的“第六感”。并没有因为刺激的套路变化而陷入混乱:

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拯救路痴,更是盲人福音

当然,这样优质的“第六感”,不只是为了拯救路痴而生的。

现在,小鼠的新感官已经媲美了视觉,如果人类也能解锁类似的成就,视障人士走出门去,就不会像从前那样困难了。

在这之前,也有许多实验室研究过,帮助视障小伙伴在陌生环境里导航的方法。显赫的MIT CSAIL实验室,便是其中之一:

2017年,团队发表了一套可穿戴设备。里面有一枚深度摄像头,用来检测障碍物;一条触觉振动腰带,和一个可刷新的盲文显示器,把摄像头收到的消息传给视障者。

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视障人士穿上之后,不拿拐杖也能走出迷宫。

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除此之外,设备也可以检测一些特定的物体,比如空着的椅子,指引小伙伴走过去坐下:

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这时候,如果有一支拐杖,可以搭配食用来加速进程。

不过,这套系统还需要手动读取盲文

相比之下,如果人类能在脑机接口的帮助下,拥有新的感官,导航可能会变得更顺利。

宾大成果,多位华人作者

论文作者,是来自宾夕法尼亚大学的12人大团队,里面有神经科学家,也有电力与系统工程系的专家。

脑机接口创造“第六感”:激活特定神经元,大鼠训练出新感官,逃出水迷宫,像用视觉一样轻松

一作,是宾大的助理教授Andrew G. Richardson。包括他在内,团队有7个小伙伴,都是来自神经外科系。

另外5个小伙伴,来自电力系统工程系,其中3位是华人:

刘夕林,本科毕业自哈尔滨工业大学,2017年从宾大博士毕业,如今在高通担任高级设计工程师。

Han Hao,本科毕业自华中科技大学,2017年开始在宾大读博。张沕琳,本科毕业于清华大学,2016年在宾大博士后出站,同年回到清华大学电子工程系任教。现为清华电路与系统研究所副教授,博士生导师。

传送门

论文地址:
http://sci-hub.tw/https://www.pnas.org/content/116/35/17509.short?rss=1

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