基于虚拟现实和脑机接口的动物“思想探测器”

就像毛茸茸的小尤达斯从沼泽中举起X翼一样，老鼠可以举起数字立方体并将其扔到目标附近。但这些老鼠并没有使用原力。相反，类似于绝地武士的壮举，老鼠们正在发挥自己的想象力。 近期，Science期刊以题为“Volitional activation of remote place representations with a hippocampal brain–machine interface”的论文描述了这种心灵传动技巧，为大脑如何想象新场景并记住过去场景提供了线索。本文一作兼通讯为美国霍华德·休斯医学研究所（Howard Hughes Medical Institute）中国学者Chongxi Lai，Albert K. Lee为本文共同通讯作者。

该研究团队开发了一种结合虚拟现实和脑机接口的新颖系统来探测老鼠的内心想法。他们发现，和人类一样，动物也能思考不在眼前的地点和物体，它们会用意念想象走到某个地点，或将远处的物体移动到某个特定位置。 那么这是如何做到的呢？ 其中，最关键的就是海马体！海马体是对记忆和想象力至关重要的大脑区域。它拥有一个环境模型（也称为认知地图），可以出于回忆或模拟的目的在心理上遍历该模型。

与人类一样，当啮齿类动物体验地点和事件时，海马体中特定的神经活动模式会被激活。这项新研究发现，老鼠可以自愿产生这些相同的活动模式，并通过这样做来回忆起远离当前位置的偏远地点。 这种想象远离当前位置的能力对于记住过去的事件和想象未来可能的场景至关重要，想象是人类能做的一件了不起的事情，现在研究人员发现动物也能做到这一点，并且还找到了一种研究它的方法。

一种新颖的脑机接口

该项目始于九年前，当时Chongxi Lai还是一名研究生，来到Janelia研究所，他的想法是测试动物是否会思考。他的导师、Janelia研究所高级研究员Tim Harris建议Chongxi Lai与Albert K. Lee聊一聊，Albert K. Lee的实验室也有类似的问题。 后来，两个实验室合作开发了一个系统来了解动物在想什么——一个实时的“思想探测器”，可以测量神经活动并翻译它的含义。 该系统使用脑机接口（BMI），它提供了大脑活动与外部设备之间的直接连接。在该团队的系统中，脑机接口在大鼠海马体的电活动与大鼠在360度虚拟现实场馆中的位置之间建立联系。

图1 虚拟现实系统中基于海马体图的脑机接口

海马体储存着世界的心理地图，用于回忆过去的事件和想象未来的场景。记忆的回忆涉及与地点和事件相关的特定海马体活动模式的产生。但没有人知道动物是否能自愿控制这种活动。 脑机接口使研究人员能够测试老鼠是否能够激活海马体活动，只考虑竞技场中的某个位置，而无需实际前往该位置，本质上是检测动物是否能够想象去该位置。

图2 老鼠可以通过控制海马体活动来实现目标

探究老鼠的内心想法

一旦开发出系统，研究人员就必须创建“思想词典”，以帮助他们解码老鼠的大脑信号。这本字典汇编了老鼠经历某些事情时的活动模式——在本例中是在VR竞技场中。 这只老鼠被用在由Lee实验室博士后Shinsuke Tanaka设计的VR系统中。当老鼠在球形跑步机上行走时，它的运动会在360度屏幕上进行转换。当老鼠到达目标时，它就会得到奖励。 同时，脑机接口系统记录大鼠的海马体活动。研究人员可以看到当老鼠在竞技场中到达每个目标时哪些神经元被激活。这些信号为实时海马体脑机接口提供了基础，大脑的海马体活动会转化为屏幕上的动作。

接下来，研究人员断开跑步机的连接，并奖励老鼠重现与目标位置相关的海马体活动模式。在这项以2008年同名电影命名的“Jumper”任务中，脑机接口将动物的大脑活动转化为虚拟现实屏幕上的运动。 从本质上讲，动物首先思考他们需要去哪里才能获得奖励，从而利用其思想来导航到奖励。这种思维过程是人类经常经历的事情。例如，当我们被要求去一家熟悉的商店买杂货时，我们可能会想象在离开家之前我们会经过的地点。

在第二个任务中，“绝地”任务（《星球大战》）中，老鼠仅通过意念将物体移动到某个位置。老鼠被固定在一个虚拟的地方，但通过控制它的海马体活动，将一个物体“移动”到VR空间中的目标，就像坐在办公室里的人想象的那样，在咖啡机旁边拿一个杯子，然后往里面倒满咖啡。然后研究人员改变了目标位置，要求动物产生与新位置相关的活动模式。

研究小组发现，老鼠可以像人类一样精确而灵活地控制其海马体活动。这些动物还能够维持这种海马体活动，将它们的想法停留在给定位置很多秒——这个时间范围类似于人类重温过去的事件或想象新场景的时间范围。

图3 老鼠可以将物体移动到远程目标位置，并通过控制海马体活动将其保持在那里

众所周知，海马体会在似乎代表远离动物当前位置的序列中表现出集合活动爆发。这些爆发发生在尖波涟漪（SWR）和θ序列中，前者发生在休息和睡眠期间，后者则与正在进行的探索活动中的振荡同步。

图4 自愿产生的非局部活动与动物处于相应位置时的活动类似，并且与LFP中的θ带功率相关

研究人员直言：“令人惊奇的是，老鼠如何在很长一段时间内学会思考那个地方，而不是其他地方，这是基于老鼠注意力（也许是幼稚的）持续时间的概念。” 总而言之，本文开发了一种脑机接口，发现仅通过激活和维持远程位置的适当海马体表征，老鼠就可以有效地导航或引导物体到虚拟现实竞技场内的任意目标位置。这提供了对情景记忆回忆、心理模拟和计划以及想象力的潜在机制的深入了解，为研究这一重要的大脑区域提供了一种新颖的系统，并为使用海马体表征的高级神经修复术开辟了可能性，由于脑机接口越来越多地应用于假肢，这项新工作也为基于相同原理设计新型假肢装置提供了可能性。

审核编辑：刘清