就像毛茸茸的小尤達斯從沼澤中舉起X翼一樣，老鼠可以舉起數(shù)字立方體并將其扔到目標(biāo)附近。但這些老鼠并沒有使用原力。相反，類似于絕地武士的壯舉，老鼠們正在發(fā)揮自己的想象力。 近期，Science期刊以題為“Volitional activation of remote place representations with a hippocampal brain–machine interface”的論文描述了這種心靈傳動技巧，為大腦如何想象新場景并記住過去場景提供了線索。本文一作兼通訊為美國霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所（Howard Hughes Medical Institute）中國學(xué)者Chongxi Lai，Albert K. Lee為本文共同通訊作者。

該研究團隊開發(fā)了一種結(jié)合虛擬現(xiàn)實和腦機接口的新穎系統(tǒng)來探測老鼠的內(nèi)心想法。他們發(fā)現(xiàn)，和人類一樣，動物也能思考不在眼前的地點和物體，它們會用意念想象走到某個地點，或?qū)⑦h(yuǎn)處的物體移動到某個特定位置。 那么這是如何做到的呢？ 其中，最關(guān)鍵的就是海馬體！海馬體是對記憶和想象力至關(guān)重要的大腦區(qū)域。它擁有一個環(huán)境模型（也稱為認(rèn)知地圖），可以出于回憶或模擬的目的在心理上遍歷該模型。

與人類一樣，當(dāng)嚙齒類動物體驗地點和事件時，海馬體中特定的神經(jīng)活動模式會被激活。這項新研究發(fā)現(xiàn)，老鼠可以自愿產(chǎn)生這些相同的活動模式，并通過這樣做來回憶起遠(yuǎn)離當(dāng)前位置的偏遠(yuǎn)地點。 這種想象遠(yuǎn)離當(dāng)前位置的能力對于記住過去的事件和想象未來可能的場景至關(guān)重要，想象是人類能做的一件了不起的事情，現(xiàn)在研究人員發(fā)現(xiàn)動物也能做到這一點，并且還找到了一種研究它的方法。

一種新穎的腦機接口

該項目始于九年前，當(dāng)時Chongxi Lai還是一名研究生，來到Janelia研究所，他的想法是測試動物是否會思考。他的導(dǎo)師、Janelia研究所高級研究員Tim Harris建議Chongxi Lai與Albert K. Lee聊一聊，Albert K. Lee的實驗室也有類似的問題。 后來，兩個實驗室合作開發(fā)了一個系統(tǒng)來了解動物在想什么——一個實時的“思想探測器”，可以測量神經(jīng)活動并翻譯它的含義。 該系統(tǒng)使用腦機接口（BMI），它提供了大腦活動與外部設(shè)備之間的直接連接。在該團隊的系統(tǒng)中，腦機接口在大鼠海馬體的電活動與大鼠在360度虛擬現(xiàn)實場館中的位置之間建立聯(lián)系。

圖1 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中基于海馬體圖的腦機接口

海馬體儲存著世界的心理地圖，用于回憶過去的事件和想象未來的場景。記憶的回憶涉及與地點和事件相關(guān)的特定海馬體活動模式的產(chǎn)生。但沒有人知道動物是否能自愿控制這種活動。 腦機接口使研究人員能夠測試?yán)鲜笫欠衲軌蚣せ詈ｑR體活動，只考慮競技場中的某個位置，而無需實際前往該位置，本質(zhì)上是檢測動物是否能夠想象去該位置。

圖2 老鼠可以通過控制海馬體活動來實現(xiàn)目標(biāo)

探究老鼠的內(nèi)心想法

一旦開發(fā)出系統(tǒng)，研究人員就必須創(chuàng)建“思想詞典”，以幫助他們解碼老鼠的大腦信號。這本字典匯編了老鼠經(jīng)歷某些事情時的活動模式——在本例中是在VR競技場中。 這只老鼠被用在由Lee實驗室博士后Shinsuke Tanaka設(shè)計的VR系統(tǒng)中。當(dāng)老鼠在球形跑步機上行走時，它的運動會在360度屏幕上進行轉(zhuǎn)換。當(dāng)老鼠到達目標(biāo)時，它就會得到獎勵。 同時，腦機接口系統(tǒng)記錄大鼠的海馬體活動。研究人員可以看到當(dāng)老鼠在競技場中到達每個目標(biāo)時哪些神經(jīng)元被激活。這些信號為實時海馬體腦機接口提供了基礎(chǔ)，大腦的海馬體活動會轉(zhuǎn)化為屏幕上的動作。

接下來，研究人員斷開跑步機的連接，并獎勵老鼠重現(xiàn)與目標(biāo)位置相關(guān)的海馬體活動模式。在這項以2008年同名電影命名的“Jumper”任務(wù)中，腦機接口將動物的大腦活動轉(zhuǎn)化為虛擬現(xiàn)實屏幕上的運動。 從本質(zhì)上講，動物首先思考他們需要去哪里才能獲得獎勵，從而利用其思想來導(dǎo)航到獎勵。這種思維過程是人類經(jīng)常經(jīng)歷的事情。例如，當(dāng)我們被要求去一家熟悉的商店買雜貨時，我們可能會想象在離開家之前我們會經(jīng)過的地點。

在第二個任務(wù)中，“絕地”任務(wù)（《星球大戰(zhàn)》）中，老鼠僅通過意念將物體移動到某個位置。老鼠被固定在一個虛擬的地方，但通過控制它的海馬體活動，將一個物體“移動”到VR空間中的目標(biāo)，就像坐在辦公室里的人想象的那樣，在咖啡機旁邊拿一個杯子，然后往里面倒?jié)M咖啡。然后研究人員改變了目標(biāo)位置，要求動物產(chǎn)生與新位置相關(guān)的活動模式。

研究小組發(fā)現(xiàn)，老鼠可以像人類一樣精確而靈活地控制其海馬體活動。這些動物還能夠維持這種海馬體活動，將它們的想法停留在給定位置很多秒——這個時間范圍類似于人類重溫過去的事件或想象新場景的時間范圍。

圖3 老鼠可以將物體移動到遠(yuǎn)程目標(biāo)位置，并通過控制海馬體活動將其保持在那里

眾所周知，海馬體會在似乎代表遠(yuǎn)離動物當(dāng)前位置的序列中表現(xiàn)出集合活動爆發(fā)。這些爆發(fā)發(fā)生在尖波漣漪（SWR）和θ序列中，前者發(fā)生在休息和睡眠期間，后者則與正在進行的探索活動中的振蕩同步。

圖4 自愿產(chǎn)生的非局部活動與動物處于相應(yīng)位置時的活動類似，并且與LFP中的θ帶功率相關(guān)

研究人員直言：“令人驚奇的是，老鼠如何在很長一段時間內(nèi)學(xué)會思考那個地方，而不是其他地方，這是基于老鼠注意力（也許是幼稚的）持續(xù)時間的概念?！?總而言之，本文開發(fā)了一種腦機接口，發(fā)現(xiàn)僅通過激活和維持遠(yuǎn)程位置的適當(dāng)海馬體表征，老鼠就可以有效地導(dǎo)航或引導(dǎo)物體到虛擬現(xiàn)實競技場內(nèi)的任意目標(biāo)位置。這提供了對情景記憶回憶、心理模擬和計劃以及想象力的潛在機制的深入了解，為研究這一重要的大腦區(qū)域提供了一種新穎的系統(tǒng)，并為使用海馬體表征的高級神經(jīng)修復(fù)術(shù)開辟了可能性，由于腦機接口越來越多地應(yīng)用于假肢，這項新工作也為基于相同原理設(shè)計新型假肢裝置提供了可能性。

審核編輯：劉清