科學家“看見”老鼠眼中的電影世界

你有沒有想過向你的朋友描述你昨晚在電視上看到的東西？很快，你就可以將你的心理圖像投射到大屏幕上。科學家們一直在用老鼠作實驗，早前，《自然》子刊研究展示了一種可以將大腦活動轉換為持續語言輸出的腦機介面，其通過分析功能磁共振成像資料就能將參與者大腦中的故事甚至圖像用語言描述出來。

來自瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)的研究團隊構建了一種全新的人工神經網絡模型，能夠準確捕捉大腦活動的動態變化。這種新穎的機器學習演算法——CEBRA，基於數學原理，可學習神經代碼中的隱藏結構。研究人員利用新演算法進行了演示。一隻老鼠正在觀看一九六○年代的黑白電影片段，其中一名男子跑向一輛打開後備箱的汽車；在另一個螢幕上，人們可看到由CEBRA計算出的電影重建畫面，新構建的電影幾乎與原版完全吻合，但有一些輕微的怪異扭曲。

需要說明的是，這套AI工具並不是直接“從無到有”地重現小鼠腦中的畫面，而是將小鼠看見的電影片段與實現訓練的電影幀對應起來。具體來說，研究團隊讓五十隻小鼠觀看一段長三十秒的黑白電影剪輯片段，這些小鼠看了九次，每一次研究團隊都會借助插入小鼠大腦視覺皮層區域的電極探針或是光學探針（即通過基因改造，使得被啟動的神經元發出綠色光），收集小鼠的神經元活動信號。隨後，研究團隊訓練CEBRA將神經信號與六百幀的電影片段聯繫起來，建立起兩者的映射。在學習了小鼠視覺系統神經編碼中的隱藏結構後，CEBRA可以在初始的訓練階段之後，直接從大腦信號中預測看不見的電影幀。

於是，在這些小鼠第十次觀看電影剪輯片段時，CEBRA根據大腦活動信號來預測小鼠看見的畫面。實驗中，CEBRA成功預測出小鼠正在看的是一位男子跑向一輛汽車、打開後備箱，然後溜走的畫面。儘管有少量失真的地方，但重建的電影片段幾乎和原始片段一致。在百分之九十五的情況下，CEBRA預測的幀的位置，都與小鼠實際看見的差距在一秒之內。

研究團隊指出，CEBRA在視覺皮層中不到百分之一的神經元中有着優異的表現，在小鼠大腦中，這個腦區由大約五十萬個神經元組成。

領導這項研究的麥肯齊馬西斯教授說，進一步的實驗表明，CEBRA不僅局限於視覺皮層神經元。這款AI工具還可以預測靈長類動物手臂的運動，以及重建大鼠在競技場上自由跑動的位置。“這項工作朝着神經技術中實現高性能腦機介面所需的演算法邁出了重要一步。”

研究團隊表示，通過建立大腦活動模式與視覺輸入之間的聯繫，CEBRA將有望為視力障礙人士帶來產生視覺的方法，説明他們看見世界。此外，CEBRA不僅限於神經科學研究，還將應用於涉及多重資訊的資料集，包括動物行為與基因表達資料。

水 登