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日本专家迈出“捕捉人类梦境”路上第一步

图像生成原理


  
  在2008年12月10日出版的美国《神经元》杂志上,一篇15页的论文引起了广泛关注。作者神谷之康博士称,他的研究团队已经找到一种方法,能够通过大脑扫描的方式来复制人们看到的影象。心理学家认为,该技术有可能在未来录下人们的梦境。但这并不像国内多家媒体报道的那样,“解梦软件能让梦境内容在屏幕上重现”,其实这只是人类迈出“捕梦之路”的第一步。
  
  让机器人玩“石头剪子布”
  
  神谷之康博士是日本国际电气通信基础技术研究院脑情报研究所的学者,也是脑情报与神经系统领域的世界知名专家。从他的个人网站可以了解到,他曾在包括哈佛和普林斯顿在内的世界多所著名大学的实验室任职,2005年被美国著名科普杂志《科学美国人》评为神经成像领域的首席权威。
  
  神谷之康长期从事计算神经系统的研究工作。2007年6月,他的团队研发的“脑机接口”术,让机器在捕获人脑意念方面取得突出成果。通过核磁共振成像技术,可以给“石头剪子布”游戏参与者的大脑“解码”,并将数据输给机器人,让它的手做出相应手势,即借助新型仪器和软件来“读懂”人的思想,然后指挥机械手选择做出石头、剪刀或者布的形状——这简直就是一个受玩家思想控制的机器人。
  
  2008年3月,美国加州大学伯克利分校神经学家杰克·格兰特,在国际权威期刊英国《自然》上发表论文,宣布用一种解码器可成功窥探大脑中的影像信息。本报2008年3月14日以《美国发明“读心仪”》为题进行过报道。
  
  但随后,神谷之康在利用脑部核磁共振技术方面再次领先。下面,让我们了解一下他的研究方法和细节。
  
  根据视觉信号重建图像
  
  神谷之康团队的研究成果,离不开脑部功能核磁共振技术(fMRI)的帮助。所谓fMRI,就是通过一定刺激使大脑皮层各功能区在磁共振设备上成像的方法,它结合了功能、影像和解剖三方面的要素,是一种在活体人脑定位各功能区的有效方法。
  
  研究人员是从人眼视觉信号的形成过程入手开展研究的。人们能看到物体,有赖于在观察过程中,目标物所反射的光线进入人眼后,在视网膜上形成了一种电子信号。这种电子信号传入人的大脑经过处理后,就会使人产生视觉。因此只要能成功捕获目标物所反射的光线在视网膜上形成的电子信号,就能实现视觉影像的还原。
  
  神谷等人准备了400张图片,每张由纵横各10小格共100格组成,格子内用黑白两色描绘出字母、方块、十字等记号。实验中,志愿者每12秒看一幅图片,随后通过fMRI测定视觉皮质脑血流变化,再利用联系图像和脑部活动的专用程序让电脑掌握这一规律。之后,参加者被要求观看新的图像,将fMRI的测定结果输入到电脑后,电脑就能结合之前掌握的规律将图像基本重现。令人称奇的是,研究人员向志愿者展示了“neuron”(神经元)的6个字母,之后使用这种技术测量了他们的大脑活性,结果在电脑屏幕上再现了neuron这6个字母!
  
  美国神经学家格兰特在去年3月份曾说:“我们的研究结果暗示,也许很快就能仅仅根据视觉信号所造成的大脑活动,来重建图片。”仅仅几个月之后,神谷就做到了这一点。神谷之康显然比美国的格兰特走得更远,因为格兰特的计算机程序是从有限的图片库中猜测和选择图片,有着无法推广的局限性。相比之下,神谷团队则让计算机学习了影像重建的一般规律,可识别的图片不受限制。神谷因此这样评价自身的研究成果:“他们(格兰特)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。而我们的系统能够从杂乱无章中创造一幅图片。”
  
  fMRI技术立奇功
  
  人脑堪称最复杂的构造,多年来为解读它的运作机理,人们想尽了各种办法。研究遇到的最大困难无非是人脑的特殊性——不打开,就无处下手;打开呢,人脑会受到损害,真是左右为难。
  
  在上世纪的大部分时间里,受研究手段的限制,研究人员在脑部思维阅读领域鲜有进展。起初人们利用脑磁图(MEG)或脑电图(EEG),但只能得到头皮上的磁场或电场的图像。利用这些技术,可以判断电流来自哪里,却不能定位其准确位置,因此无法直接得到一张反映脑部空间状况的图像。脑电图虽然快捷,但容易受干扰,还要对使用者进行专门训练,并且只有特殊的思考过程才能产生可探测的脑活动。
  
  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,即脑神经在活跃时会把生物能转化为电能,而电又可以产生磁。科学家们从此发现,核磁共振能用巨大的磁场掩盖掉地球磁场的干扰,在相对狭小的无干扰空间中,捕捉人类大脑发出的微弱磁信号,fMRI技术由此诞生。
  
  与以往的技术手段相比,fMRI优点颇多,这是一种非介入性的技术,不会对脑部造成功能性损害;而且不需要特别训练,只要让大脑保持自然状态就可以。fMRI由此成为对人脑成像机制进行精确研究的最佳工具。
  
  解梦之路仍漫长
  
  谈起高新技术,人们总关心它在现实中的的应用前景,对fMRI也不例外。
  
  fMRI对颅脑手术病人术前计划的制定有很大的指导作用,应用前景非常广阔。
  
  但神谷之康团队显然不满足于一般性的临床应用,他们希望这一方式能够为说话障碍者提供帮助,并能有助于医生对精神病患者的分析治疗。他们已经用研究结果表明,既然计算机能实现在事先不知道内容是什么的情况下,直接读出一个人正在想什么,那为什么不能用来再现人的梦境呢?自从1900年奥地利学者弗洛依德发表《梦的解析》以来,神秘的梦境一直是众多科学家千方百计想破解的难题。
  
  神谷之康在接受路透社记者采访时说:“我们希望知道个人的经验和梦境是如何在脑内显现的……随着精确度的提高,有可能通过观察梦境窥探人们不想为人知的秘密。”他又补充说:“如果研究团队真正做到了这一点,这一技术就有可能涉及隐私问题,应该予以极大安全保护。”
  
  近期有国内媒体以“我能看见你的梦”等为题,称“日本专家开发出梦境软件能让梦境内容在屏幕上重现”。实际上,这种说法是不准确的,神谷的研究不过是为人们提供了一个新的路径而已,远未到解决问题的程度。解读人类梦境的最大困难还在于技术层面。人类的梦境要比神谷研究所采用的那些黑色背景上的白色十字、方块和X形要复杂得多,而且场景转换迅速(绝非神谷实验所采用的12秒换一幅图像那么慢吞吞)。此外,科学家目前还不能确定,在人类做梦时,大脑处理信息的部位和过程是否与清醒时相同。种种困难和限制使得神谷之康的“捕梦”之路是崎岖而坎坷的。但不管怎么说,神谷之康借助神奇的fMRI,已经迈出了第一步。
  
  

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