核磁共振成像也叫磁共振成像，簡(jiǎn)稱 MRI ，是一種可以對(duì)身體內(nèi)部進(jìn)行成像，幫助醫(yī)生診斷疾病的技術(shù)。功能性磁共振成像（fMRI ）屬于 MRI 的一種，主要用于對(duì)大腦的血液流動(dòng)進(jìn)行成像，判斷大腦的活躍區(qū)域。這些看似跟機(jī)器學(xué)習(xí)沒(méi)什么關(guān)系，但其實(shí)研究人員已經(jīng)開始將 MRI 和 fMRI 與機(jī)器學(xué)習(xí)算法結(jié)合起來(lái)，幫助人們了解大腦對(duì)社交場(chǎng)合的反應(yīng)機(jī)制。

這一新興的領(lǐng)域被稱為計(jì)算精神病學(xué)，計(jì)算精神病學(xué)研究的目的是將正常人腦與精神疾病患者的大腦進(jìn)行對(duì)比，從而提升對(duì)精神疾病診斷的準(zhǔn)確率。研究?jī)?nèi)容則包括尋找精神疾病的成因以及對(duì)應(yīng)的治療方法。

據(jù)世界衛(wèi)生組織的報(bào)告顯示，全球共有數(shù)千萬(wàn)雙相情感障礙和精神分裂癥患者，而受抑郁癥折磨的患者人數(shù)高達(dá) 3 億，計(jì)算精神病學(xué)有很大的空間可以施展。用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法來(lái)診斷精神疾病看似非常簡(jiǎn)單，認(rèn)為只要復(fù)制人工的診斷方法即可，然而現(xiàn)實(shí)并非如此。目前對(duì)精神疾病的主要診斷方法是用病人出現(xiàn)的癥狀來(lái)參照比對(duì)美國(guó)精神醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)在 2013 年出版的第五版精神疾病診斷與統(tǒng)計(jì)手冊(cè)。這種方法很主觀，判斷的依據(jù)也并不充分，有很大的優(yōu)化空間。

計(jì)算精神病學(xué)的初步成果

其實(shí)計(jì)算神病學(xué)研究已經(jīng)有了一些初步的成果。弗吉尼亞理工大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)邊緣性人格障礙 BPD 患者比起正常人更注重人際關(guān)系中的反饋和往來(lái)，這一結(jié)果與研究團(tuán)隊(duì)當(dāng)初的設(shè)想完全相反。

其實(shí)計(jì)算精神病學(xué)所用到的 fMRI 早在 1990 年就已經(jīng)被發(fā)明出來(lái)了，但我們才剛剛獲得足夠的計(jì)算能力來(lái)處理 fMRI 所收集到的數(shù)據(jù)，這也就是為什么計(jì)算精神病學(xué)還屬于新興學(xué)科。精神病學(xué)與神經(jīng)學(xué)所研究的內(nèi)容并不完全相同。

神經(jīng)學(xué)所研究的是人類的大腦，而精神病學(xué)所研究的對(duì)象是人的思想，這就造成一定程度上的主觀和不確定性。比如用數(shù)字 1 到 10 來(lái)衡量疼痛的話，3 級(jí)疼痛對(duì)某些人來(lái)說(shuō)可能不太疼，但對(duì)另一些人來(lái)說(shuō)可能是無(wú)法忍受的疼了，而且這兩類人對(duì)疼痛程度的判斷雖然不同但從自己的角度來(lái)看都是合理的。

精神疾病的診斷也存在這種問(wèn)題，比如說(shuō)不同類型的精神疾病可能有相似的癥狀。計(jì)算精神病學(xué)的創(chuàng)新之處就在于將 MRI 和 fMRI 產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行結(jié)合提升診斷的準(zhǔn)確率，此外研究人員還希望借此對(duì)治療的有效性進(jìn)行追蹤。

計(jì)算精神病學(xué)的三種研究方向

Pearl Chiu 教授是弗吉尼亞理工大學(xué)醫(yī)學(xué)院人類神經(jīng)造影研究所唯一一名有臨床經(jīng)驗(yàn)的心理學(xué)家，從與病人交流到研究機(jī)器學(xué)習(xí)，其研究的跨度可以說(shuō)非常大。Chiu 教授說(shuō)，與病人合作過(guò)，才讓她明白我們對(duì)人腦的了解竟如此之少。她相信，將機(jī)器學(xué)習(xí)方法引入精神疾病的診斷是可行的。

Chiu 教授的研究團(tuán)隊(duì)將 MRI 和 fMRI 的成像結(jié)果、患者的行為模式、與患者談話的錄音以及從心理學(xué)方面的診斷都作為機(jī)器學(xué)習(xí)算法的輸入數(shù)據(jù)，而且唾液和血液樣本也很快會(huì)加入到輸入數(shù)據(jù)中。他們希望能從這些數(shù)據(jù)中去除噪音并提取有用的診斷信號(hào)。

當(dāng)我們大腦某部分運(yùn)作時(shí)會(huì)需要更多的氧氣。所以 fMRI 通過(guò)掃描氧氣，其實(shí)是血液的流動(dòng)就能知道我們大腦的哪部分正在進(jìn)行活動(dòng)。fMRI 并非十全十美，它也會(huì)出現(xiàn)假陽(yáng)性的問(wèn)題。最極端的例子是用 fMRI 來(lái)掃描一條死魚，結(jié)果會(huì)顯示出魚出現(xiàn)了大腦活動(dòng)。

其實(shí)從患者處收集完數(shù)據(jù)，只要把收集到的患者信息輸入模型需要幾分鐘時(shí)間就能輸出診斷結(jié)果。如果使用針對(duì)性更強(qiáng)的模型，還可以進(jìn)一步加快數(shù)據(jù)處理的速度。比如，研究人員從與病人的交談中初步判斷出病人所患的可能是抑郁癥，那么就可以使用專門處理抑郁癥的模型來(lái)加快診斷的速度。

Chiu 教授說(shuō)使用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法可以識(shí)別出人類醫(yī)生會(huì)忽略或者無(wú)法判斷的數(shù)據(jù)模式，也能幫助病人獲得更好的針對(duì)性治療。Chiu 教授表示這些數(shù)據(jù)可以幫助我們來(lái)診斷不同類型的抑郁癥。比如某些抑郁癥病人可能更適合理療，而另一些病人可能服用藥物效果會(huì)更好。

如果使用機(jī)器學(xué)習(xí)的診斷方法可以將精神疾病的診斷數(shù)字化和標(biāo)準(zhǔn)化，那么精神病患者或許可以少受一些歧視。想象一下，如果抑郁癥、精神病或者雙向情感障礙和心臟病在診斷上可以做到一樣客觀的話，那么精神病還會(huì)是一種特殊疾病嗎？精神疾病患者所遭受的歧視是否會(huì)消失？

目前 Chiu 教授實(shí)驗(yàn)室研究的主要課題是激勵(lì)障礙，也就是抑郁癥和各種成癮癥狀。如果沒(méi)有計(jì)算機(jī)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法的幫助，想靠人力從海量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)診斷和治療的模式根本不可能。

除了 Chiu 教授，弗吉尼亞理工大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)研究中心的 Brooks King-Casas 教授所進(jìn)行的研究也是從機(jī)器學(xué)習(xí)算法中獲益。King-Casas 教授研究的主要對(duì)象是社會(huì)行為，比如正常人和精神疾病患者在處理人際交往中感覺和模式的不同以及大腦在其中的作用。King-Casas 教授說(shuō)他的興趣是研究正常人和精神疾病患者在大腦決策過(guò)程的區(qū)別。

King-Casas 教授的實(shí)驗(yàn)室正在研究如何將人類的決策過(guò)程進(jìn)行分解并找出精神疾病患者的決策過(guò)程中到底哪一步出了錯(cuò)。他使用了強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)決策過(guò)程的數(shù)字化，認(rèn)為如果沒(méi)有強(qiáng)化學(xué)習(xí)根本不可能實(shí)現(xiàn)決策過(guò)程的分解。即便一個(gè)簡(jiǎn)單的二選一決策，其研究團(tuán)隊(duì)也開發(fā)了十種模型來(lái)進(jìn)行解釋。

King-Casas 教授說(shuō)：“其實(shí)可以把人類的大腦也當(dāng)成一個(gè)模型，而我們的任務(wù)就是通過(guò)研究人類的行為開發(fā)與人類大腦決策過(guò)程最相近的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。”

機(jī)器學(xué)習(xí)算法診斷面臨的挑戰(zhàn)

算法都是由人開發(fā)的，那么人所擁有的偏見也必然會(huì)被帶入算法和模型之中。人們有一種認(rèn)為算法的一切判斷都公正的傾向，其實(shí)大謬不然。

如果無(wú)法消除算法中的偏見，那么由機(jī)器學(xué)習(xí)算法所做出的診斷也值得懷疑，尤其是精神病學(xué)這種有長(zhǎng)期性別歧視歷史的學(xué)科。這種性別歧視即使到今天也沒(méi)有消除。世界衛(wèi)生組織的研究顯示，醫(yī)生給女性開出精神疾病藥物處方的概率比男性大。在疼痛的治療上也有這種性別歧視的現(xiàn)象存在，有些醫(yī)生認(rèn)為女性會(huì)夸大自己所受的疼痛，所以對(duì)女性疼痛的治療并不如對(duì)男性及時(shí)。除了性別，對(duì)疼痛治療的歧視在不同種族之間也存在。

Chiu 教授說(shuō)，保證機(jī)器學(xué)習(xí)算法中不出現(xiàn)偏見非常困難，只能盡量保證研究人員只關(guān)注自己的工作，來(lái)避免病人的精神健康歷史和所接受的治療對(duì)研究人員造成影響。另一種方法則是盡量實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)中研究人員和研究對(duì)象的多元化。

使用 fMRI 采集數(shù)據(jù)的過(guò)程需要精心設(shè)計(jì)，因?yàn)?fMRI 對(duì)大腦進(jìn)行探測(cè)有大約兩秒鐘的間隔，而且從研究對(duì)象接受視覺刺激到血液流動(dòng)到大腦特定部位也會(huì)有幾秒鐘的延遲。不同文化背景的研究對(duì)象也會(huì)對(duì)相同的刺激產(chǎn)生不同的反應(yīng)，比如顏色和數(shù)字在不同的文化中有不同的意義。

可供研究的對(duì)象太少也是一個(gè)問(wèn)題，通常能夠募集到的參與者不超過(guò)一百人，而且研究對(duì)象沒(méi)有代表性。fMRI 購(gòu)買和使用價(jià)格高昂，所以大部分研究對(duì)象都來(lái)自研究所附近的發(fā)達(dá)地區(qū)，而且以學(xué)生居多。這個(gè)問(wèn)題不好解決，但是可以通過(guò)不同研究機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)共享來(lái)增加數(shù)據(jù)的多樣性。邱教授所在的人類神經(jīng)造影實(shí)驗(yàn)室就和倫敦大學(xué)學(xué)院、北京大學(xué)、貝勒醫(yī)學(xué)院以及夏威夷大學(xué)希洛分校有著數(shù)據(jù)共享的合作項(xiàng)目。

隨著機(jī)器學(xué)習(xí)算法越來(lái)越復(fù)雜，機(jī)器學(xué)習(xí)模型面臨著和大腦一樣的黑盒問(wèn)題和信任問(wèn)題?，F(xiàn)在只要有足夠的數(shù)據(jù)和計(jì)算能力，我們就能訓(xùn)練一個(gè)模型來(lái)識(shí)別圖片中的一只貓，但我們很難準(zhǔn)確說(shuō)明算法到底是依據(jù)什么條件識(shí)別出圖片中的貓。機(jī)器學(xué)習(xí)模型對(duì)精神疾病的理解和我們?nèi)祟愓娴囊粯訂幔窟@個(gè)問(wèn)題值得深思。

計(jì)算精神病學(xué)中存在的另一個(gè)問(wèn)題是缺乏標(biāo)準(zhǔn)的參考數(shù)據(jù)。準(zhǔn)確的說(shuō)是，精神病學(xué)本身就缺乏完全正確能夠驗(yàn)證的數(shù)據(jù)因?yàn)閷?duì)精神疾病的診斷如前文所述是一個(gè)主觀的過(guò)程。如果用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)判斷癌癥的話，我們可以進(jìn)行組織活檢判斷算法預(yù)測(cè)的正確性。對(duì)精神疾病來(lái)說(shuō)，目前并沒(méi)有所謂的“精神活檢”。在沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)的情況下，所進(jìn)行的一切預(yù)測(cè)也都值得懷疑。

對(duì)精神疾病或者障礙的診斷與對(duì)其他疾病的診斷方法相比可謂十分有限，打個(gè)不恰當(dāng)?shù)谋确骄褪遣怀檠⒉蛔?CT 也不做心電圖就診斷出病人得了心臟病。雖然聽起來(lái)荒謬但精神病學(xué)的現(xiàn)狀就是如此，也許計(jì)算精神病學(xué)的出現(xiàn)可以為精神疾病的診斷提供客觀的診斷依據(jù)。如果計(jì)算精神病學(xué)研究真的能夠?yàn)樵\斷提供神經(jīng)學(xué)上的依據(jù)，這無(wú)疑是精神病學(xué)的一大進(jìn)步。

由于精神疾病的診斷缺乏生物學(xué)上的客觀依據(jù)，精神疾病與患者表現(xiàn)出的癥狀很大概率沒(méi)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。不同的疾病可能出現(xiàn)相似的癥狀，而同一種疾病在不同個(gè)體的身上出現(xiàn)的癥狀可能也有所不同。即便是同一種癥狀，同一種疾病，出現(xiàn)的原因也大相徑庭。精神壓力等環(huán)境因素可能引起精神障礙，但隨著時(shí)間的流逝和環(huán)境因素的變化精神障礙可能自己消失。目前精神疾病的診斷和治療方法大概是這樣的：嗯，癥狀對(duì)得上，管你什么原因先來(lái)點(diǎn)抗抑郁藥吃吃試試。

計(jì)算精神病學(xué)的未來(lái)

弗吉尼亞理工大學(xué)生物醫(yī)藥研究中心的 Stephen LaConte 教授可謂是實(shí)時(shí) fMRI 的先驅(qū)。他用機(jī)器學(xué)習(xí)方法將大腦作為一個(gè)整體進(jìn)行研究，而不是只專注于大腦中的某一區(qū)域，說(shuō)的簡(jiǎn)單一點(diǎn)就是判斷大腦是否在工作而不去分辨是哪一部分在工作。

他研究的機(jī)器學(xué)習(xí)算法加上實(shí)時(shí) fMRI 可以判斷研究對(duì)象此時(shí)是否在開小差。這在成癮治療和教育領(lǐng)域很有用，不過(guò)如果日后實(shí)時(shí) fMRI 的價(jià)格能夠降低并且普及，那么對(duì)思想的監(jiān)控和實(shí)時(shí) fMRI 的濫用肯定會(huì)成為一個(gè)問(wèn)題，比如老板應(yīng)該是很想知道員工一天到底有幾個(gè)小時(shí)是真的用在工作上的。

LaConte 教授認(rèn)為借助機(jī)器學(xué)習(xí)方法，研究人員可以直接使用大腦的反應(yīng)而非研究對(duì)象的行為來(lái)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。他希望將來(lái)我們可以通過(guò)針對(duì)性的思想鍛煉來(lái)提升大腦的功能，就好像通過(guò)打坐來(lái)提高注意力那樣。

我們不妨?xí)诚胍幌戮癫W(xué)的未來(lái)：算法驅(qū)動(dòng)的診斷模型（模型判斷你大腦某處引起抑郁所以出現(xiàn)某癥狀）、有針對(duì)性的治療（大腦某部分引起的某癥狀的抑郁癥最有效的治療方法是吃某種藥）以及實(shí)時(shí) fMRI 驅(qū)動(dòng)的大腦鍛煉方法，結(jié)果就是精神病學(xué)屬于預(yù)防醫(yī)學(xué)的范疇了。

美國(guó)精神衛(wèi)生中心還能為弗吉尼亞大學(xué)醫(yī)學(xué)院的計(jì)算精神病學(xué)提供最少五到十年的經(jīng)費(fèi)，King-Casas 教授預(yù)測(cè)到那時(shí)研究應(yīng)該到出成果的階段了。其他研究人員也對(duì)計(jì)算精神病學(xué)的發(fā)展前景持樂(lè)觀態(tài)度，只不過(guò)在具體技術(shù)層面還需要提高。

一直有新理論試圖對(duì)精神疾病進(jìn)行“拯救”，其中有一些已經(jīng)隨時(shí)間消失了，但神經(jīng)化學(xué)和遺傳學(xué)還依然有自己的一席之地。我們需要說(shuō)清楚的是計(jì)算精神病學(xué)也僅僅只是用來(lái)幫助病人的工具罷了。如果你覺得精神病學(xué)有機(jī)器學(xué)習(xí)加持就會(huì)推倒重來(lái)，那就大錯(cuò)特錯(cuò)了。