腦機接口創(chuàng)造“第六感”：激活特定神經(jīng)元，大鼠訓練出新感官，逃出水迷宮，像用視覺一樣輕松
盲人福音
栗子 魚羊 發(fā)自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI
路癡有救了。
賓夕法尼亞大學的科學家們，借由腦機接口，給了大鼠一種神經(jīng)刺激，幫它們找到對的方向。
原本，在水迷宮里游泳的大鼠，看不到藏在水下的目的地。但收到刺激之后，大鼠會把這當做一種新感官，學著利用它，順利游到指定的位置。
注意，大鼠在實驗之前從沒接收過類似的刺激，可訓練過后習慣了這樣的設定，運用起“第六感”，就像運用視覺一樣熟練。
眼睛看不到目標位置，也能在5秒內(nèi)準確到達。
遇到障礙物也不會迷惑，果斷繞行，輕松找到目標：
仿佛大腦植入了地圖App一樣絲滑。
更厲害的是，在不同的刺激模式下，大鼠探索世界的策略還會發(fā)生變化：之字形和環(huán)形兩種路徑，各有各的優(yōu)勢。
也就是說，當身體里的“傳感器”發(fā)生變化，動物的運動策略也會跟著調(diào)整。
說不定有一天，視障小伙伴們也能擁抱新的感官，更輕松地出門、去到新的地方。
而這項奇妙的研究，剛剛登上了頂尖期刊PNAS?(美國國家科學院院刊) 。
第六感如何被創(chuàng)造？
科學家們用了一種名叫ICMS（經(jīng)顱微電流刺激）的刺激方式。
ICMS一次激活十個左右的神經(jīng)元。這就是說，不是激活整個大腦區(qū)域，而是向特定的區(qū)域傳遞信息。相比于直流電刺激之類的方法，ICMS更精確，更有針對性。
科學家把一對大腦皮層雙極刺激電極，植入了成年大鼠腦內(nèi)。
具體的測試實驗，就是經(jīng)典的Morris水迷宮。大鼠被放到水池的中心，而水池里只有一個隱藏的水下平臺可供站立。
對這個經(jīng)典實驗，科學家們做了一個小改動，把平臺的位置改為隨機，也就是說，大鼠不僅看不到平臺，也不能憑借記憶找到平臺位置，唯一可以依靠的線索就是ICMS引起的感知。
但是，僅僅給大腦提供一個刺激是不夠的。想要創(chuàng)造新的感官，大腦就要學習利用刺激，才能像使用天生而來的視覺、嗅覺那樣，處理外部的信號。
要實現(xiàn)這個目標，就要對大鼠進行訓練。
實驗中，攝像機以每秒12幀監(jiān)控大鼠的游泳路徑。只要大鼠的前進方向，是在目標方向的一定范圍內(nèi)（比如<15°、45°、90°），就給它一個刺激。
像這樣：
△大鼠的預訓練實驗
在視頻監(jiān)控的單獨一幀中，可以看到目標方向和大鼠前進方向之間，存在一個夾角。
當這個夾角小于設定的范圍時（可以是15°，45°，90°等等），就判斷前進方向正確，無線發(fā)射器會以超閾值強度、100Hz的頻率發(fā)射脈沖電流。而當夾角大小超出了范圍，判斷大鼠游偏了，就不傳遞刺激信號。
最初接收到神經(jīng)刺激，大鼠還一臉懵比，不知道自己受了什么刺激，也不懂得怎么利用，花了23秒才找到綠點：
但如此這般，進行了100到200次的訓練之后，大鼠就學會了處理刺激信息，方向感飛速提升，直奔目標毫不費力，這次只用了5秒：
△學習后的大鼠
實驗結(jié)果還顯示，如果以大鼠能看到平臺位置 (綠點) 時的表現(xiàn)為基線，刺激范圍是15°以內(nèi)時，大鼠游到終點消耗的平均路程，非常接近使用視覺時候的基線水平。
也就是說，僅僅在一兩百次訓練之后，大鼠使用起這個后天“第六感”，已經(jīng)跟使用天生的視覺一樣熟練了。
不過，如果把刺激范圍進一步減小到5°以內(nèi)，效果反而變差了。
另外，設定不同的刺激范圍，大鼠學到的探索世界的策略也有所不同：
如果設置偏離90°以內(nèi)就施加刺激，大鼠便習慣了環(huán)形運動。
這樣，可以快速試過所有方向，便于找到正確的方向。
如果設置偏離45°以內(nèi)、甚至15°以內(nèi)才施加刺激，大鼠便掌握了之字形的前進方式。
大概是因為，這種情況下接受到的刺激更準確，不需要再用轉(zhuǎn)圈圈的方法，試遍每個方向了。
更加有趣的現(xiàn)象是，當一只大鼠按照正常的訓練流程獲得了“第六感”之后，換個套路：反過來在大鼠游偏時給予刺激，方向正確的時候不給刺激。
這樣再次訓練，大鼠又適應了新的傳感器，依然獲得了和視覺一樣好用的“第六感”。并沒有因為刺激的套路變化而陷入混亂：
拯救路癡，更是盲人福音
當然，這樣優(yōu)質(zhì)的“第六感”，不只是為了拯救路癡而生的。
現(xiàn)在，小鼠的新感官已經(jīng)媲美了視覺，如果人類也能解鎖類似的成就，視障人士走出門去，就不會像從前那樣困難了。
在這之前，也有許多實驗室研究過，幫助視障小伙伴在陌生環(huán)境里導航的方法。顯赫的MIT CSAIL實驗室，便是其中之一：
2017年，團隊發(fā)表了一套可穿戴設備。里面有一枚深度攝像頭，用來檢測障礙物；一條觸覺振動腰帶，和一個可刷新的盲文顯示器，把攝像頭收到的消息傳給視障者。
視障人士穿上之后，不拿拐杖也能走出迷宮。
除此之外，設備也可以檢測一些特定的物體，比如空著的椅子，指引小伙伴走過去坐下：
這時候，如果有一支拐杖，可以搭配食用來加速進程。
不過，這套系統(tǒng)還需要手動讀取盲文。
相比之下，如果人類能在腦機接口的幫助下，擁有新的感官，導航可能會變得更順利。
賓大成果，多位華人作者
論文作者，是來自賓夕法尼亞大學的12人大團隊，里面有神經(jīng)科學家，也有電力與系統(tǒng)工程系的專家。
一作，是賓大的助理教授Andrew G. Richardson。包括他在內(nèi)，團隊有7個小伙伴，都是來自神經(jīng)外科系。
另外5個小伙伴，來自電力系統(tǒng)工程系，其中3位是華人：
劉夕林，本科畢業(yè)自哈爾濱工業(yè)大學，2017年從賓大博士畢業(yè)，如今在高通擔任高級設計工程師。
Han Hao，本科畢業(yè)自華中科技大學，2017年開始在賓大讀博。
張沕琳，本科畢業(yè)于清華大學，2016年在賓大博士后出站，同年回到清華大學電子工程系任教?，F(xiàn)為清華電路與系統(tǒng)研究所副教授，博士生導師。
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論文地址：
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— 完 —
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