华人学者脑机接口研究登上Science：证实动物也具有像人类那样的想象力

撰文丨nagashi

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

人类是富有想象力的物种，在脑海里凭空想象、模拟情景的能力也是智力的一个重要体现。例如，下班前想象今天晚餐吃什么，做一个海滩度假的白日梦，或者想象如何重新安排房间的整体布局。这种想象需要一个内部世界模型，可以灵活地访问以构建可能的场景。

我们大脑中的海马体（Hippocampus）对回忆和想象经历至关重要，这一过程涉及从海马体记忆中描绘人物、事件和地点，包括熟悉环境的地图状表征。然而，这种“认知地图”中的表征是否可以被有意识地访问一直是未知的。

2023年11月2日，美国霍华德·休斯医学研究所的Albert Lee、Lai Chongxi等人团队在国际顶尖学术期刊Science上发表了题为：Volitional activation of remote place representations with a hippocampal brain-machine interface 的研究论文。

该研究发现，动物也有与人类类似的想象力。研究团队开发了一种结合虚拟现实（VR）和脑机接口（BMI）的新系统，以探测大鼠脑海中的“想法”。和人类一样，当啮齿类动物经历地点和事件时，大脑中负责空间记忆的区域——海马体，就会激活特定的神经活动模式，让思绪回到过去。

这一发现为情景记忆、回忆、心理模拟和计划以及想象力的潜在机制提供了深入的见解，并为使用海马体记忆表征的高级神经假肢开辟了新道路。

海马体是大脑中对记忆和想象至关重要的区域，它拥有一个环境模型，也称为“认知地图”。因此，海马体包含了先前探索过的环境的空间地图状表征，以便于后续的回忆或模拟。值得注意的是，每种环境的表征都由特定的位置细胞组成，当动物在该环境中经过特定位置时，这些神经元就会选择性地放电，回忆起过去的场景。

之前的研究表明，非局部海马体空间表征的短暂和间歇性激活表明认知地图中特定路径的规划。然而，目前尚不清楚这种活动是否受到意志控制，还是反映了非意志的被动记忆相关过程。

在这项最新研究中，研究团队开发了一个脑机接口（BMI）来测试大鼠是否可以通过灵活、目标导向和基于模型的方式控制海马活动来表征“认知地图”。通过脑机接口，研究团队可以引导大鼠产生类似于特定场景模拟的神经活动。

脑机接口系统示意图

事实上，这个研究项目开始于九年前，最初的想法是测试动物是否会思考。研究团队一直致力于开发一种系统——一种实时的“思想探测器”，以测量神经活动并翻译其含义，以了解动物在想什么。而脑机接口的出现，成为了完善这个系统的关键一环。

脑机接口可以在大脑活动和外部设备之间提供直接连接，允许研究人员测试大鼠是否可以有意识地激活海马体活动，回忆起区别于现实位置的、只存在于记忆中的虚拟位置。当然，想要做到这一点，研究团队还必须创建一个“思想词典”，这个词典汇编了大鼠在经历某些事情时的活动模式，使他们能够解码大鼠的神经信号。

脑机接口系统解码海马体神经活动

在测试过程中，大鼠被放置于一个专门设计的VR系统中。当它在一个球形跑步机上行走时，VR系统中的场景会不断变化，只有大鼠在特定场景中才会得到奖励。与此同时，脑机接口系统记录了大鼠海马体的活动。研究团队可以观察到，当大鼠在虚拟的目标位置时，哪些神经元被激活了，这些信息为实时海马体神经活动的解码提供了基础。

接下来，研究人员断开跑步机，并奖励能够重现与目标位置相关的海马活动模式的大鼠。

研究中进行两种不同的脑机接口实验任务的步骤

第一个任务——Jumper，以2008年电影《心灵传输者》（Jumper）命名， 脑机接口系统将大鼠的大脑活动转化为虚拟现实屏幕上的运动。简单来说，大鼠需要控制其海马体活动以想象特定的场景才能获得奖励，而这种思维过程与人类十分相似。例如，当我们被要求在一家熟悉的商店买东西时，我们可能会想象离开家前往商店过程中将会经过的地点。

Jumper任务

第二个任务——Jedi，《星球大战》中的绝地武士（Jedi）命名，大鼠需要凭借思想将虚拟物体从一个位置移动到另一个位置。具体而言，大鼠需要通过控制它的海马体活动，在虚拟空间中将物体移动到目标位置。然后，研究人员改变了目标的位置，从而引导大鼠产生与新位置相关的活动模式。这一过程就像是坐在座位上的人想象拿起咖啡机旁边的杯子，然后把它装满咖啡一样。

研究团队发现，大鼠可以像人类那样精确而灵活地控制它们的海马体活动，这说明了动物也能够维持这种海马体活动，将它们的思想停留在一个给定的位置几秒钟——这类似于人类重温过去的事件或想象一个新的场景。

大鼠可以将物体移动到远处的目标位置，并通过控制它们的海马体活动来将它们维持在那里

研究团队表示，这项研究表明，想象力并非人类特有的天赋，动物也可以想象那些“远在天边”的地方或者物体、想象去到一个地方，或将一个远处的物体移动到一个特定的地方。换而言之，就像办公室里的打工人一样，就算肉身被困于一隅，思想也可以去到“天涯海角”。

此外，这项研究还表明，脑机接口系统可以用来探测海马体活动，为研究这个重要的大脑区域提供了一个新系统。值得一提的是，由于脑机接口系统在假肢中的应用越来越多，这项最新也为基于相同原理设计新型假肢装置提供了可能性。

参考资料：

1. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh5206

2. https://www.eurekalert.org/news-releases/1006131