老鼠的大腦只有我們?nèi)祟?lèi)的拇指尖大小，但一項(xiàng)最新研究發(fā)現(xiàn)，老鼠和人類(lèi)一樣，也有想象力。它們會(huì)用想象，讓自己置身于之前探索過(guò)的空間，或?qū)⑦h(yuǎn)處的物體移動(dòng)到某個(gè)特定位置。研究者相信，這項(xiàng)成果未來(lái)在臨床和基礎(chǔ)研究上都有巨大的用途。

撰文 | 望鄉(xiāng)

“想象能力對(duì)人類(lèi)社會(huì)至關(guān)重要，幾乎所有的發(fā)明都發(fā)生過(guò)兩次，第一次在想象中，第二次在現(xiàn)實(shí)中。”賴崇曦告訴《返樸》。

作為霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）的博士后，此時(shí)的他本該異常興奮。因?yàn)樗麆傄缘谝蛔髡呱矸?，?1月2日的Science雜志發(fā)表論文，揭開(kāi)了一個(gè)顛覆認(rèn)知的秘密：和人類(lèi)一樣，老鼠也有想象力。它們會(huì)用想象，讓自己置身于之前探索過(guò)的空間，或?qū)⑦h(yuǎn)處的物體移動(dòng)到某個(gè)特定位置。

論文發(fā)表頁(yè)面

這種想象遠(yuǎn)離當(dāng)前所處地點(diǎn)的能力，是記憶過(guò)去事件和想象未來(lái)可能情景的基礎(chǔ)。

“現(xiàn)在，我們發(fā)現(xiàn)動(dòng)物也能做到這一點(diǎn)，而且我們找到了研究它的方法?！卑柌亍だ睿ˋlbert K. Lee）說(shuō)，他曾是HHMI 位于Janelia研究園區(qū)的課題組長(zhǎng)，現(xiàn)為貝斯以色列女執(zhí)事醫(yī)療中心的HHMI研究員。

前英國(guó)首相商業(yè)、能源和工業(yè)戰(zhàn)略特別顧問(wèn)詹姆斯·菲利普斯（James W. Phillips）不吝對(duì)這項(xiàng)研究給予超高評(píng)價(jià)，“這是我所見(jiàn)過(guò)的神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域最令人印象深刻的工作之一。我認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)具有驚人的潛力，可以成為元科學(xué)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的焦點(diǎn)?！彼琴嚦珀卦谟?guó)劍橋大學(xué)讀博時(shí)的同學(xué)。

賴崇曦本人則略顯波瀾不驚，“這項(xiàng)研究時(shí)間很長(zhǎng)，一共花了差不多8年時(shí)間，現(xiàn)在結(jié)果出來(lái)了，卻感覺(jué)沒(méi)有那么興奮了?！钡芨兄x“老板”所給予的足夠支持和耐心，畢竟，“碰上有些老板等不了，研究可能就砍掉了”。兩位“老板”也是這篇論文的通訊作者，其一是阿爾伯特·李，另一位是HHMI的課題組長(zhǎng)兼高級(jí)研究員蒂莫西·哈里斯（Timothy D. Harris）。

刻板印象：老鼠沒(méi)有想象力

老鼠的大腦確實(shí)比我們小得多，大約只有我們的拇指尖大小。以至在上個(gè)世紀(jì)，許多科學(xué)家仍然認(rèn)為老鼠大腦只是簡(jiǎn)單的刺激-反應(yīng)系統(tǒng)。

在20世紀(jì)初期，行為主義在心理學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域占據(jù)了顯著地位。這種理論的核心思想是，生物個(gè)體的學(xué)習(xí)和行為主要是通過(guò)對(duì)獎(jiǎng)勵(lì)和懲罰的反應(yīng)來(lái)驅(qū)動(dòng)的。行為主義者認(rèn)為，個(gè)體通過(guò)對(duì)環(huán)境中的刺激做出反應(yīng)，并根據(jù)這些刺激的后果（獎(jiǎng)勵(lì)或懲罰）來(lái)調(diào)整其行為。換句話說(shuō)，行為主義理論強(qiáng)調(diào)的是外部刺激與響應(yīng)之間的關(guān)系，認(rèn)為這是行為形成的主要機(jī)制。

對(duì)此，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校教授愛(ài)德華·托爾曼（Edward Tolman）卻不以為然。他在1948年發(fā)表了Cognitive maps in rats and men，提出了一種被稱(chēng)為“認(rèn)知地圖”的概念，認(rèn)為人和動(dòng)物在探索環(huán)境時(shí)，會(huì)在大腦中形成一種對(duì)外部世界的心理表征，這些表征構(gòu)建出心理模型來(lái)指導(dǎo)其行為。

換句話說(shuō)，即使沒(méi)有獎(jiǎng)懲機(jī)制，生物體的大腦仍然儲(chǔ)存了對(duì)環(huán)境的信息，并且進(jìn)行了建模。

1971年，美國(guó)科學(xué)家約翰·歐基夫（John O'Keefe）為托爾曼的理論找到了在大腦細(xì)胞活動(dòng)層面上的實(shí)據(jù)。他在老鼠大腦的“海馬體”區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一種特殊的，用來(lái)表征空間位置的神經(jīng)細(xì)胞。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程是這樣的。他把電極記錄器植入老鼠大腦的海馬區(qū)，然后讓老鼠在一個(gè)陌生的房間自由走動(dòng)。當(dāng)老鼠走到一個(gè)特定的位置時(shí)，腦中編碼這個(gè)位置的細(xì)胞放電的頻率就會(huì)上升。歐基夫?qū)⑦@些細(xì)胞命名為“位置細(xì)胞”（Place cell），不同的位置細(xì)胞都對(duì)應(yīng)著某個(gè)特定的位置，它們?cè)诖竽X中形成了關(guān)于環(huán)境的地圖。因?yàn)檫@項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，歐基夫獲得了2014年的諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

在人類(lèi)的海馬體嚴(yán)重受損后，就會(huì)同時(shí)喪失回想過(guò)去和想象未來(lái)的能力，許多類(lèi)似患者的病例研究都驗(yàn)證了相同的情況。其中最著名的一篇論文，是德米斯·哈薩比斯（Demis Hassabis）及其導(dǎo)師在2007年發(fā)表的。后來(lái)哈薩比斯轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)界，創(chuàng)立了人工智能公司DeepMind，引領(lǐng)了當(dāng)下的這波AI革命。

話說(shuō)回來(lái)，這種人類(lèi)在心理上將自我投射到過(guò)去，重新經(jīng)歷過(guò)去的事情；以及把自我投射到未來(lái)，預(yù)先經(jīng)歷未來(lái)事情的能力，有個(gè)專(zhuān)有名詞——心理時(shí)間之旅（mental time trave）。這是一種特定類(lèi)型的想象，它跟時(shí)間、地點(diǎn)、人物、事件等記憶是緊密相連的。

那么，老鼠會(huì)不會(huì)有心理時(shí)間之旅呢？

其實(shí)在顯微鏡下，嚙齒動(dòng)物和靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的腦組織非常相似，需要經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的眼睛才能分辨出來(lái)。

而且，神經(jīng)科學(xué)家以前曾解碼過(guò)嚙齒動(dòng)物大腦發(fā)出的信號(hào)，發(fā)現(xiàn)它們并不純粹是對(duì)感覺(jué)或移動(dòng)指令的反應(yīng)。例如當(dāng)老鼠處于特定位置時(shí)，其對(duì)應(yīng)的位置細(xì)胞變得活躍。科學(xué)家可以通過(guò)記錄位置細(xì)胞的活動(dòng)，來(lái)確定它們的位置。

但是，對(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，僅僅知道自己在哪里并不符合“想象”的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)橄胂蟮膬?nèi)涵要超越眼前的情境。而且直到2010年，靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物研究人員仍然聲稱(chēng)老鼠缺乏“認(rèn)知”。

沒(méi)有人有確鑿答案。

賴崇曦想研發(fā)出一種動(dòng)物模式來(lái)系統(tǒng)性地研究：如果老鼠能夠不去特定位置，僅靠想象自己去往了特定位置，也能激活相應(yīng)的位置細(xì)胞，那這種行為就非常接近于人類(lèi)的心理時(shí)間之旅。

讀取“思維”

2014年8月，賴崇曦進(jìn)入劍橋大學(xué)攻讀神經(jīng)科學(xué)博士。彼時(shí)，他腦子里已經(jīng)開(kāi)始構(gòu)思和設(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

2015年的一天，同窗菲利普斯和賴崇曦在湖邊聊天，他第一次聽(tīng)到了這個(gè)項(xiàng)目的早期設(shè)想。他馬上認(rèn)為賴崇曦是他在英國(guó)遇到的同輩神經(jīng)科學(xué)家中那個(gè)最聰明、最有創(chuàng)造力的。多年后，他寫(xiě)道，“當(dāng)他第一次向我描述時(shí)，我覺(jué)得這就像是來(lái)自遙遠(yuǎn)未來(lái)的東西，是一個(gè)巨大的概念飛躍，需要技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)現(xiàn)，再加上對(duì)概念的深刻理解才能實(shí)現(xiàn)。”

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的主要困難是，你無(wú)法告訴老鼠去想什么或做什么。你必須給它們一些暗示，比如獎(jiǎng)勵(lì)它們做某個(gè)特定的動(dòng)作。這種行為訓(xùn)練既是一門(mén)科學(xué)，也是一門(mén)藝術(shù)。

同時(shí)，你也很難獲知老鼠的“所思所想”。賴崇曦想到了一個(gè)精巧的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：如果老鼠確實(shí)能夠思考和想象，那么當(dāng)誘導(dǎo)老鼠思考去某個(gè)特定地方時(shí)，就應(yīng)該能夠以可預(yù)測(cè)的方式記錄下其所對(duì)應(yīng)的位置細(xì)胞變得活躍起來(lái)。

為了探索老鼠能否做到這一點(diǎn)，他們采用了腦機(jī)接口（BMI）技術(shù)，通過(guò)手術(shù)將電極植入老鼠的大腦，讓老鼠通過(guò)空間想象在元宇宙中穿梭。這個(gè)實(shí)驗(yàn)將老鼠放在360度沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）中的一個(gè)球形跑步機(jī)上，并在虛擬的世界中顯示一個(gè)目標(biāo)，讓老鼠朝著這個(gè)目標(biāo)奔跑。

當(dāng)老鼠在跑步機(jī)上奔跑時(shí)，它的動(dòng)作會(huì)在360度的屏幕上轉(zhuǎn)換，它在VR環(huán)境中的位置也會(huì)在屏幕上同步更新——就好像老鼠在真實(shí)環(huán)境中運(yùn)動(dòng)一樣。當(dāng)老鼠到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，它們會(huì)得到獎(jiǎng)勵(lì)（水）。然后新的目標(biāo)會(huì)在VR環(huán)境中產(chǎn)生，重復(fù)上述過(guò)程。老鼠一周就能學(xué)會(huì)這個(gè)任務(wù)?！疽曨l請(qǐng)前往“返樸”觀看】

在最初階段，研究小組記錄了位置細(xì)胞的活動(dòng)。然后，他們使用人工智能解碼生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)，從而計(jì)算出老鼠認(rèn)為自己在虛擬現(xiàn)實(shí)任務(wù)中的位置。

接下來(lái)，他們進(jìn)行一個(gè)以電影“Jumper”命名的任務(wù)。研究小組斷開(kāi)跑步機(jī)，這意味著老鼠無(wú)法通過(guò)跑步達(dá)到目標(biāo)。這逼迫它們只能利用大腦活動(dòng)在VR環(huán)境中移動(dòng)。當(dāng)老鼠的大腦活動(dòng)被解碼為位于目標(biāo)區(qū)域時(shí)，它將往那個(gè)位置移動(dòng)，一旦移動(dòng)到目標(biāo)位置，他們會(huì)獲得獎(jiǎng)勵(lì)。