脑机接口创造“第六感”：激活特定神经元，大鼠训练出新感官

　　栗子 鱼羊 发自 凹非寺
　　量子位 报道 公众号 QbitAI

　　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。

　　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：

　　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：之字形和环形两种路径，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。

　　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。

　　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：

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。

　　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：

　　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：

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。

　　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：

　　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。

　　视障人士穿上之后，不拿拐杖也能走出迷宫。

　　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：

　　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。

　　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