通過實時地「告訴你」你的腦活動，可以改變你看到的

文／李競捷 編輯／@趙思家

本文為Mentor Project的輸出作品。由@趙思家組織的一個小小的寫作小組，現成員主要由對七名神經科學非常感興趣的本科和碩士學生組成。定期我會在群中放出一些寫作話題以及相關的文獻推薦，由成員自行「認領」。在閱讀好材料後，我們會一起商量好一個框架。在初稿完成後，如果有必要，我會修改、潤色和添加相關內容。最後發在本專欄和微信公眾號（neuroscienceme）上。

作者排名類似於學術論文作者排名，一作為「認領人」，而最後作者提供了「文章構想 + 修改」。

如果你也感興趣，可以與@趙思家聯繫。

大腦並不是一成不變的，它一直是在動態的變化之中的。尤其是當我們在適應某種「環境」的時候，大腦的感知覺系統會時刻進行動態調整以更好地適應外部世界的刺激。這也是為什麼有經驗的影像科醫生能快速準確的從CT圖像上辨別出腫瘤的位置; 乒乓球運動員能精準的判斷出球的運動方向和速率。因此，你「感知」的這個世界也並不是一成不變的，也是可以發生一些動態地變化的。

在最近（6月30號才剛剛發表哦～）日本科學振興機構的Kaoru Amano等人發表的一項研究中，就有一個這樣有趣的部分。告訴我們通過一種反饋式的學習，可以讓我們將紅顏色與一種豎直方向的條紋聯繫在一起，在完成了為期幾天的訓練之後，再給被試看一個完全沒有顏色的條紋，被試甚至可以更傾向看到紅顏色的條紋，而這一切主要發生在視覺皮層比較低級早期的皮層區域中(v1/v2)。

背景知識

首先介紹一點小知識：這個實驗的絕大部分數據都是靠一種「讀心術」的方法：多體素活動模式分析(MVPA)（具體MVPA的介紹可以看這裡哦），體素就可以理解為立體的像素，我們利用功能核磁共振（fmri）可以掃出來這些一些大腦立體的像素裡面的血流信號（ 專業的說是血氧依賴水平，BOLD），從而間接的反應大腦里神經元的活動。我們通過綜合考慮很多「體素」的活動，來判斷一個具體的認知狀態。比如這個人看到的是鞋子還是籃球？以及我們接下來要講的，綜合這些「體素」來考慮這個人看到的是紅色，綠色，還是灰色？

簡而言之，在這裡，這個「讀心術」的方法就是通過測量大腦活動來推測一下 這個人看到的是什麼圖片。

他們的實驗具體是怎樣的呢？

這個實驗是一個出現不久的新穎範式。傳統的知覺學習（perceptual learning）大都沒有反饋。基本僅僅只是對特定的任務，讓被試持續的做出選擇。而大腦則會持續的對這個對這個特定的任務進行學習，提高在這個特定任務（或者相似任務）的表徵精度，從而提高被試在這些人物上的表現。而傳統的fmri實驗也是主要側重對功能態大腦活動的研究。而將fmri的反饋加在某個知覺學習的任務中這樣的實驗範式確實是不是非常常見。不過在這樣一個「奇怪」的實驗中，大腦還是能找到規律的（不過受到主觀意識的調控是有限的）。被試的表現的確能有比較顯著的提升，甚至可以影響到被試在這個任務下的顏色知覺。

實驗的第一步是顏色的分類器的構建。就是利用「讀心術」的方法，來做對當前的認知狀態一個判斷，比如給被試看上圖的這些條紋，用一些機器學習的演算法來推測這個人看到的條紋是紅色，還是綠色。同時我們還要計算一下這個人的腦活動與看到紅顏色條紋時腦活動的相似度，可以間接地來推測他「看到」的這個條紋有多紅。

實驗的第二步就是一個通過解碼腦信號的反饋來訓練的過程。他們起的名字叫做( DecNef)。具體是這樣的：

給被試看一個這樣的豎直條紋黑白圖片

同時掃描他的大腦活動，然後通過我們前面提到的「讀心術」的方法，來告訴被試，你的大腦活動離你看到紅色條紋的大腦活動差別有多大（red likelihood），把這個作為反饋。

體現在下面這過圓盤的大小上，呈現給被試。這樣反覆，反覆，訓練三天。但是需要注意的是，我們始終都沒有告訴被試我們實驗的目的是讓你的大腦活動儘可能的接近紅色！只是告訴他你讓這個圓盤儘可能小就行了，不過被試在核磁共振里一直是在胡思亂想，亂猜。也沒人猜到這個跟紅色有關係。（在一個相似的實驗里，告訴被試目的與不告訴其實差別不大）

但是儘管他們對這個圓盤的想法千奇百怪，但是大家還都慢慢學到了點什麼，看到這樣灰色豎直條紋後大腦活動與紅色的相似度也在漸漸提高。

實驗的最後一步是訓練後測試

在給被試呈現一個完全沒有灰色的豎直條紋時，大腦的活動也更傾向於紅色了。

但是由於我們的訓練部分是只給被試呈現了縱向的條紋，這個聯繫的學習也有非常強烈的方向特異性，橫向的條紋和傾斜的條紋都不會有那麼強烈的紅色影響。（也就說明這個學習的過程還是跟知覺學習非常相似，只能對一個非常特定的情景下才能產生影響）

為什麼大腦會發生如此有趣的現象呢？

研究者們主要認為，這樣的反饋訓練主要改變了處理紅顏色和綠顏色神經細胞集群的相互抑制關係。而這個交互抑制的改變主要是由負責注意、決策的高級的皮層區域的自上而下的(top-down)所調控的。

總而言之

這個實驗主要還是告訴我們，這樣由腦信號反饋的學習方式( DecNef)可以讓我們的大腦「自動」地而（僅依靠有限的意識引導的）產生一些變化，發生這樣的「聯繫學習」，導致我們的視覺吧這樣子豎直的條紋與感受到紅色的大腦活動聯繫到一起去。這個主要體現在早期的視覺皮層內發生的一些變化，甚至可以改變我們在這個任務下的顏色感知。

References

Amano et al., Learning to Associate Orientation with Color in Early Visual Areas by Associative Decoded fMRI Neuro- feedback, Current Biology (2016),http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2016.05.014

Kazuhisa Shibata et al., Perceptual Learning Incepted by Decoded fMRI Neurofeedback Without Stimulus Presentation, Science (2011), DOI: 10.1126/science.1212003

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