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)學研究所（Howard Hughes Medical Institute）中國學者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，最關鍵的就是海馬體！海馬體是對記憶和想象力至關重要的大腦區(qū)域。它擁有一個環(huán)境模型（也稱為認知地圖），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離當前位置的偏遠地點。 這種想象遠離當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老鼠是否能夠激活海馬體活動，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

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設計的VR系統(tǒng)中。當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。當老鼠到達目標時，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老鼠在競技場中到達每個目標時哪些神經(jīng)元被激活。這些信號為實時海馬體腦機接口提供了基礎，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)與目標位置相關的海馬體活動模式。在這項以2008年同名電影命名的“Jumper”任務中，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。

在第二個任務中，“絕地”任務（《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，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位置，要求動物產(chǎn)生與新位置相關的活動模式。

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程目標位置，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離動物當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位置時的活動類似，并且與LFP中的θ帶功率相關

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程位置的適當海馬體表征，老鼠就可以有效地導航或引導物體到虛擬現(xiàn)實競技場內(nèi)的任意目標位置。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)修復術開辟了可能性，由于腦機接口越來越多地應用于假肢，這項新工作也為基于相同原理設計新型假肢裝置提供了可能性。

審核編輯：劉清