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| 本文作者： 劉偉 | 2018-02-08 13:19 |
說(shuō)到“黑匣子”，人類(lèi)大腦可能是其中最難解的。無(wú)數(shù)科學(xué)家感嘆，它的機(jī)理太過(guò)復(fù)雜，以至于我們無(wú)法窺見(jiàn)其中的門(mén)道。
幸運(yùn)的是，雖然僅靠自己我們無(wú)法解開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)，但加上機(jī)器的力量，結(jié)果卻可能有所不同。在最新一期的《自然通信》雜志上，賓夕法尼亞大學(xué)心理學(xué)家Michael Kahana領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)指出，眾所周知的“黑匣子”——機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可以解碼并增強(qiáng)人類(lèi)的記憶力。具體如何實(shí)現(xiàn)呢？答案是對(duì)大腦發(fā)送精準(zhǔn)實(shí)時(shí)的電脈沖。
也就是說(shuō)，研究人員準(zhǔn)備用一個(gè)“黑匣子”來(lái)解鎖另一個(gè)“黑匣子”的巨大潛能。這種做法給人的感覺(jué)非常復(fù)雜：一方面，對(duì)于一個(gè)不可思議的難題來(lái)說(shuō)，這不失為一種解決方法；但另一方面，又讓人覺(jué)得不安，因?yàn)檫@聽(tīng)起來(lái)就像一個(gè)類(lèi)似“天啟”的科幻恐怖片的開(kāi)端。
測(cè)量大腦的最佳方法當(dāng)然是直接深入顱內(nèi)，但大眾和相關(guān)機(jī)構(gòu)審查委員會(huì)，不會(huì)允許有人打著科學(xué)的旗號(hào)開(kāi)啟別人的頭骨。因此，Kahana團(tuán)隊(duì)和25個(gè)癲癇患者合作，在他們每個(gè)人的大腦中植入了100-200個(gè)電極，以監(jiān)測(cè)和癲癇相關(guān)的大腦放電。通過(guò)這些電極，Kahana團(tuán)隊(duì)還記錄了跟記憶任務(wù)相關(guān)的大腦活動(dòng)。
機(jī)器學(xué)習(xí)算法學(xué)會(huì)了關(guān)聯(lián)電極信號(hào)和患者記住單詞的可能性
Kahana團(tuán)隊(duì)首先了解了大腦熟記內(nèi)容時(shí)的狀態(tài)。當(dāng)患者閱讀并嘗試記住一張列表中的單詞時(shí)，他們每秒鐘從每個(gè)電極收集了數(shù)千次電壓測(cè)量數(shù)據(jù)。隨后，他們又對(duì)患者的回憶過(guò)程進(jìn)行了測(cè)量，以確定哪些大腦活動(dòng)分別對(duì)應(yīng)著記住和忘記單詞。
Kahana團(tuán)隊(duì)將上述測(cè)量重復(fù)進(jìn)行了數(shù)次。在對(duì)每個(gè)患者測(cè)量了2-3次后，他們收集到了足夠多的數(shù)據(jù)用于算法訓(xùn)練。這些算法可以依據(jù)單個(gè)患者的大腦電極活性，預(yù)測(cè)他可能記住了哪些單詞。
這項(xiàng)研究的關(guān)鍵在于，電極不僅能讀取神經(jīng)的活動(dòng)，也能對(duì)它施加刺激。研究人員嘗試著通過(guò)刺激大腦來(lái)改善（Kahana團(tuán)隊(duì)稱(chēng)之為“拯救”）實(shí)時(shí)記憶能力。受試者每隔幾秒鐘會(huì)看到一個(gè)新的單詞，算法則根據(jù)大腦信號(hào)判斷他是否能夠記住這些單詞。Kahana說(shuō)道：“這是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，我們可以記錄受試者的大腦狀態(tài)，分析它是否能記住眼前的事物，如果不能就對(duì)它施加刺激，整個(gè)過(guò)程只需要幾百毫秒。”
實(shí)驗(yàn)證明，這種做法確實(shí)有效。借助Kahana團(tuán)隊(duì)的系統(tǒng)，這些患者的記憶力平均提升了15%。
這并非Kahana實(shí)驗(yàn)室第一次進(jìn)行腦刺激對(duì)記憶力影響方面的研究。去年，他們團(tuán)隊(duì)曾提出，電極脈沖既可以改善也可以惡化記憶力，關(guān)鍵在于施加電極脈沖的時(shí)機(jī)。該項(xiàng)研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們?cè)诘凸倌芷诖碳ご竽X的記憶區(qū)域時(shí)，測(cè)試對(duì)象能獲得更高的分?jǐn)?shù)（如果在高官能期施加刺激，效果則恰恰相反）。這是一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)，可惜無(wú)益于治療。因?yàn)檠芯咳藛T只有在做了記憶測(cè)試后，才能定義記憶力和大腦狀態(tài)之間的關(guān)系。而如果想要增強(qiáng)記憶力，就必須在記憶的過(guò)程中施加脈沖刺激。
現(xiàn)在，Kahana和他的同事們借助機(jī)器學(xué)習(xí)算法完成了閉環(huán)。Kahana說(shuō)道：“和那些識(shí)別貓咪圖像的算法一樣，只不過(guò)我們用它來(lái)監(jiān)測(cè)大腦的電流活動(dòng)，判斷大腦是否處于利于學(xué)習(xí)的狀態(tài)。如果電流信號(hào)顯示，大腦正在高效地編碼記憶，我們就不用理會(huì)它；如果不是，系統(tǒng)就會(huì)迅速向大腦發(fā)射電脈沖，讓它更加高效。它的作用就像一個(gè)大腦起搏器。”
加州大學(xué)圣地亞哥分校的神經(jīng)科學(xué)家Bradley Voytek對(duì)這項(xiàng)研究成果評(píng)論道：“它不具備決定性的影響，但絕對(duì)很有前景。關(guān)鍵在于，這個(gè)領(lǐng)域接下來(lái)的研究能不能產(chǎn)生更好的結(jié)果。如果能在患者的大腦中植入更多的電極，那么算法就能在更小的時(shí)間維度上解碼更多的神經(jīng)信號(hào)，提高系統(tǒng)的特異性。更加豐富的數(shù)據(jù)也有助于改善系統(tǒng)的性能。大多數(shù)癲癇患者參與類(lèi)似研究的時(shí)間只有幾周，如果能收集更長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練，那么模型的表現(xiàn)一定會(huì)更加優(yōu)秀。”
不過(guò)，即使這套系統(tǒng)能夠收集更加精細(xì)和豐富的數(shù)據(jù)，科學(xué)家們也必須面對(duì)一個(gè)問(wèn)題，即用“黑匣子”算法研究和操縱人類(lèi)大腦將產(chǎn)生怎樣的后果。Kahana的系統(tǒng)雖然能在特定情況下提高受試者記單詞的能力，但他卻并不清楚這個(gè)過(guò)程是怎么實(shí)現(xiàn)的。這正是機(jī)器學(xué)習(xí)的特點(diǎn)。
好在Kahana的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)意識(shí)到了這一點(diǎn)，而且有些算法的原理也相對(duì)容易詳察。針對(duì)這項(xiàng)研究，他們使用了一個(gè)簡(jiǎn)單的線(xiàn)性分類(lèi)器，這樣一來(lái)他們就能得出一些，關(guān)于單個(gè)電極活動(dòng)對(duì)模型區(qū)分大腦活動(dòng)模式有何影響的推論。“目前我們還不能確定，我們用來(lái)記錄大腦活動(dòng)的特征之間是否具有相關(guān)性”，負(fù)責(zé)該項(xiàng)研究的機(jī)器學(xué)習(xí)分析的UPenn心理學(xué)家Youssef Ezzyat說(shuō)道。
更復(fù)雜的深度學(xué)習(xí)技術(shù)不一定會(huì)給認(rèn)知能力帶來(lái)更大的強(qiáng)化作用。但如果它真的有效，研究人員將絞盡腦汁探索算法的原理，用電脈沖為人類(lèi)大腦提供加成。或者，它將造成嚴(yán)重的后果，研究人員也會(huì)弄清楚原因，從而阻止它。雷鋒網(wǎng)雷鋒網(wǎng)
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