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(kāi)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(jué)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(kāi)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(kāi)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?！?/p>

機(jī)器學(xué)習(xí)算法診斷面臨的挑戰(zhàn)

算法都是由人開(kāi)發(fā)的，那么人所擁有的偏見(jiàn)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(jiàn)，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(kāi)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(jiàn)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(jué)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?？這個(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?、不?CT 也不做心電圖就診斷出病人得了心臟病。雖然聽(tīng)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(kāi)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(jué)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。