“读脑术”前进了一大步

魔术师让观众从一副完整的扑克中任意抽取一张，观众照做了。魔术师说，你自己看一下这张牌但不要让我看到，观众也照做了。接下来，魔术师通过探测观众的“脑波”，正确指出了观众抽取的是哪一张牌。现在，这样的“读脑术”不再需要使用魔术技巧了，科学家们已经能够真正办到。
日本国际电气通信基础技术研究所(ATR)认知神经科学家神谷之康 (Yukiyasu Kamitani)博士及其同事最近成功实现了从受试者的脑电中还原出其所看到的图案。心理学家认为，他们所使用的技术甚至有可能在未来记录下人们的梦境。“这是世界上首次使直接从大脑活动中读取人们看到的图像成为可能。”脑情报研究所的一名发言人说。神谷之康等人的研究论文发表在12月10日出版的《神经元》（Neuron）杂志。
在此之前，美国加州大学伯克利分校的杰克·格兰特（Jack Gallant）教授也取得了类似的结果。他设立了一个包含120张照片的图库，随机给受试者看其中的某张图片，然后用仪器和计算机猜测出受试者看到的是哪一张，正确率高达92%。相比之下，如果只是随便蒙蒙的话，正确率只会有0.8%而已。
                
                
fMRI的特殊功能
在研究人类大脑时，大脑就像是一个黑箱。如果将头骨打开来直接观察，大脑可能就会受到无法逆转的损害。所以科学家想出了很多办法来间接观察它。CT是人们熟悉的一种早期方法，对医生了解大脑中的病变提供了良策。但是，它存在一个重要的弊端，即由于必须使用X射线，因而存在辐射危险。
后来出现的PET（正电子发射计算机断层扫描）也存在类似的问题，它发射出的伽玛射线同样令人担忧。EEG，也就是脑电图扫描器，解决了以上技术中的安全性问题。它在受试者的头皮上接上电极，探测脑电，但它的问题是精度太低，加之头皮本身还存在皮肤电，于是干扰严重。
神谷和格兰特在他们的实验中都分别采用了近些年来兴起的fMRI。尽管fMRI在中文中叫做“功能性核磁共振造影技术”，但其实它与“核”没有什么关系，并不像CT和PET那样会产生辐射。fMRI以一种非介入的安全方式来探测大脑的活动。
最早在1990年，日本科学家小川诚二发现，大脑中血氧含量的相对水平能够被核磁共振技术探测到。简单地说，脑神经在活跃时会将生物能转化为电能，而电又可以产生磁。核磁共振就是使用巨大的磁场掩盖掉地球本身存在的磁场，在一方狭小的“纯净”空间中捕捉人类大脑发出的微弱磁信号。
神谷在他的实验中让受试者看一些简单的图形，比如黑色背景中的白色正方形、十字和X形。fMRI则在同时将受试者的大脑活动记录下来。“我们开发了一些电脑程序，能够将fMRI信号解码为可视化的图像。”他告诉南方周末记者。
这个过程有点像语言翻译，科学家先要知道大脑以什么样的语法表达，然后才能解码出它想表达的内容。格兰特实验中的志愿者是他的两名同事。他首先向他们快速展示了1750图片，这些图片中包含了马、树木、花朵和建筑等关键要素。他需要知道当人看到这些内容时，大脑活动会出现怎样的反应。这就是在寻找语法。
找到可能的语法后，格兰特又使用了120张全新的照片。这些照片是受试者事先没有看过的。受试者在观察新图片的同时，fMRI也记录下他们的大脑活动。最后，计算机将新的大脑活动与过去的规律匹配，从120张图片中选出一张最接近的图片。这样的猜测居然十拿九稳，在一名受试者那里的准确率是92%，在另外一名那里略低，但也有72%。
后来，格兰特使用了更大的图片库，里面有1000张图片。在这样的情况下，计算机猜测的准确率也达到了82%。格兰特的团队估计，即便他们使用谷歌搜索引擎在互联网上能搜到的所有图片，计算机猜测的准确率也仍然会有20%左右。
                
                
学习大脑活动“语法”
“他们成功地从一组候选图片中选出了一幅，而候选图片是经过预先分析的。”神谷说，“但我们的系统能够从杂乱无章中创造一幅图片。”
格兰特的计算机程序只是在有限的图片库中猜测和选择图片，就像本文开头提到的魔术师。这个过程并不涉及到计算机对人脑中的图像的“重建”。而神谷的团队则前进了一大步，他们让计算机首次学会了重建受试者看到的影像。“他们做了一项非常优秀的工作。”北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室柯李博士说。
神谷将受试者需要看的图片区域划分为10×10的小格。他首先让受试者看一些没有章法的图案，在这些图案中，小格被杂乱无章地填充。在这个过程中，fMRI学习了当不同的小格被填充时大脑活动的“语法”。
接着，神谷让受试者分别看了小格填充而成的方块、十字和X等图形，以及神经元（neuron）一词的六个英文字母。fMRI将受试者相应的大脑活动记录下来，然后由计算机根据前面获得的语法来画出图形。惊人的是，计算机画出的图形与受试者看到原图十分接近，“neuron”的六个字母也清晰可辨！
格兰特在今年3月份曾说：“我们的结果暗示，可能很快就能够仅仅根据一个人的视觉体验造成的大脑活动来重建图片。”仅仅几个月之后，神谷就做到了这一点。
神谷认为，研究人员将来有可能做到使用更多的小方格，也就是以更高的像素读取人脑中的图像，甚至于呈现出彩色图片。此次他所做出的图片还只是黑白的。
但随着需要重建的图像的复杂程度提高，难度会急剧加大，尤其是当神谷使用自然图片而非人工制造的简单图案时。“解码人类大脑被自然图片唤起的活动是极为困难的，因为一个人看到的自然图片的值域可能是无限的。”格兰特说。
但无论如何，神谷的研究结果意味着，计算机可能实现在事先不知道内容可能是什么的情况下，直接读出一个人正在想什么。这其中就包括记录下人的梦境。
格兰特还想到，这样的技术有可能用于精神分析。一些其他的心理学家则认为fMRI取得的这些进展让人产生伦理上的担忧，比如滥用这样的技术来测定“思想犯罪”，或是读出人的想法后做针对性的商业广告，人的隐私也难以保障。
捕梦路迢迢
不过，在这一切到来之前，科学家还有许多现实的问题需要解决。神谷告诉南方周末记者，他们每获得一张大脑的fMRI图像需要花费两秒钟时间。“这个时间看似不长，但实际上对于我们做认知科学的人来说，这已经是很长的时间了。”柯李说，“理想的状况应该是以毫秒计算的。”
神谷的受试者躺在庞大的fMRI仪器里，首先会看到6秒钟的黑屏，然后是12秒的同一个图案，然后又是6秒钟黑屏。在这24秒里，仪器连续记录受试者的大脑活动，然后解码出每两秒钟为一个时段的图像。有趣的是，结果显示，解码出的图像有大约4秒钟的“延迟”现象。也就是说，从受试者最初看到屏幕上的方块，到计算机重建的图像上显示出方块，有4秒钟的时差；当方块从屏幕上消逝后，计算机重建的图像在4秒钟的时间里还会显示出方块图案。“人在观察图案时，人脑本身是会有一个延迟，但理论上说只有几百毫秒，这里延迟4秒钟是技术原因造成的。”柯李分析。
除了反应有点迟钝外，人心中的“杂念”是fMRI技术遇到的另一个难题。受试者心有杂念，就会引起许多不相干的大脑活动，从而给重建的图像带来噪声。很难做到没有杂念，柯李说，“你试想一下半个小时之内要求你仅仅判断屏幕上是十字还是圆点，而且不许想我待会儿去哪里吃饭、还有多久结束之类的问题。”
初次看见到fMRI仪器的人往往会感到非常震撼。它小则有一个篮球场大，大则可能相当于两个篮球场。北京师范大学在安装fMRI时专门为其建了一栋楼。被试时如果有紧张心态，就会像测血压时心理紧张一样，影响实验效果，而且由于大脑活动复杂得多，所以大量无关的思想活动造成的干扰比血压更加难以估计。
“高场强的核磁共振造影或许能够帮助减少噪声干扰。”神谷说，“另外，噪声和无关信号可以利用计算机程序加以过滤。”
通常医院里使用的核磁共振仪的磁感应强度的1特斯拉，大多数科学研究中使用仪器3倍于此。相比之下，地球磁场的磁感应强度仅为0.00005特斯拉。
但是高场强的fMRI会带来另一个问题——人耳能听到的噪音。fMRI运行时，就像涡轮发动机发动了，巨大的嗡嗡声挑战着受试者的耐受能力。fMRI的磁场场强越大，噪音也就越大。长时间在这样的噪音下受试，让人难以忍受。
“尽管有可能研发出能解码人类大脑日间所见影像的软件，但研发类似的软件去解码大脑在做梦时是如何处理信息的，这极端困难。”格兰特说，“任何可以预见的解码梦境的装置都必定建立在我们解码日常视觉的基础上。”
种种技术限制都使得人脑中的想法还不能唾手可得。梦境要比黑色背景上的白色十字、方块和X形复杂得多，而且场景转换迅速。甚至，科学家还不能确定人类做梦时大脑处理信息的部位和过程是否与清醒时相同。神谷和格兰特的研究只是捕梦路上的第一步。
via:南方周末