一家德國生物學(xué)研究所利用人工智能技術(shù)“解碼”了老鼠的表情。這項研究證實了老鼠的表情與情緒之間存在對應(yīng)關(guān)系，而且不同的情緒由不同神經(jīng)元負(fù)責(zé)編碼。

研究已發(fā)表在《科學(xué)（Science）》雜志上，論文題目為：《怎樣看懂一只老鼠的臉（How to read the face of a mouse）》。

論文鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/368/6486/89

一、情緒研究：眾說紛紜，尚無定論

在約150年以前，就有學(xué)者對動物面部表情的形成機(jī)制做出了猜想。英國生物學(xué)家查爾斯·達(dá)爾文（Charles Darwin）提出，動物的面部表情就像人類一樣，是其表達(dá)情緒的窗口。但受限于技術(shù)水平，這個想法一直沒有得到驗證。

2014年，加州理工學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家大衛(wèi)·安德森（David Anderson）與拉爾夫·阿道夫斯（Ralph Adolphs）合著了一篇名為《細(xì)胞（Cell）》的論文。在論文中，他們指出了情緒這種“大腦的狀態(tài)”具有的一些特征。

比如，情緒是持久的，在引起情緒變化的刺激因素消失后還會持續(xù)一段時間。另外，刺激越大，情緒變化就會越大。

受到這篇論文的啟發(fā)，再加上對情緒研究的興趣，德國馬克斯·普朗克神經(jīng)生物學(xué)研究所（Max Planck Institute of Neurobiology）的神經(jīng)學(xué)家納丁·戈戈拉（Nadine Gogolla）進(jìn)行了為期三年的研究?！拔蚁肟纯次覀兡芊駨膭游飳嶒炛辛私膺@些（情緒）狀態(tài)是如何在大腦中出現(xiàn)的?！彼f。

二、解碼老鼠表情：機(jī)器視覺+大腦成像

為了解答上述疑問，戈戈拉的團(tuán)隊設(shè)計了一個實驗。

進(jìn)行實驗時，研究人員先對老鼠施加刺激，使其情緒發(fā)生變化，再用機(jī)器學(xué)習(xí)算法和大腦成像技術(shù)加以分析。

研究人員會將老鼠頭部固定住，把甜味液體涂抹到老鼠唇部以引起它的愉悅情緒，或涂抹苦味液體、電擊老鼠尾巴、注射氯化鉀溶液以引起厭惡和不適的情緒。

1、機(jī)器視覺抓取老鼠表情變化

論文中指出，人類憑借肉眼對表情的判定是“主觀而乏味”的。為了使觀察到的老鼠表情更“客觀和量化”，研究人員選擇用機(jī)器視覺（machine vision）算法來觀察。

機(jī)器視覺即用機(jī)器人代替人眼來做測量和判斷。研究人員會拍下老鼠表情變化的過程，再把視頻輸入機(jī)器視覺算法模型中。算法會從視頻中截出老鼠面部肌肉變化瞬間的屏幕快照。

瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的神經(jīng)精神性疾病研究者卡米拉·貝?。–amilla Bellone）評價說：“這種看待面部表情的方式具有很大的優(yōu)勢，因為它避免了實驗者的任何偏見?！?/p>

根據(jù)算法抓取的瞬時狀態(tài)，研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)老鼠感到疼痛時，它的耳朵會向后拉、面部會向前突出，有時還會瞇起眼睛；當(dāng)它感到快樂時，鼻子會向嘴巴方向下拉，同時耳朵和下巴也向下。

但是，機(jī)器視覺觀察到的僅是一種生理現(xiàn)象。為了進(jìn)一步證明這種現(xiàn)象的確與情緒有關(guān)，而不僅是一種生理反射，研究人員采用了光遺傳學(xué)技術(shù)（optogenetics）。

光遺傳學(xué)技術(shù)的原理是用光控方法刺激動物的神經(jīng)元。研究人員選擇了一些已被證實能觸發(fā)動物情緒的神經(jīng)元，用光束對其施加刺激，這時老鼠的表情出現(xiàn)了相應(yīng)的變化。這就說明老鼠的之前表情變化不只是一種生理反射。

此外，研究人員稱他們還能量化老鼠的傳統(tǒng)情緒特征，比如把一般情緒反應(yīng)和基于記憶的情緒反應(yīng)進(jìn)行區(qū)分。為了達(dá)到這一目的，他們交替給老鼠喂甜味溶液和苦味溶液。當(dāng)老鼠第二次接觸到甜味溶液時，由于觸發(fā)了負(fù)面記憶，老鼠出現(xiàn)了不適反應(yīng)。

如果甜食只是觸發(fā)了生物反射而非情緒反應(yīng)，那么再次經(jīng)歷消極體驗時，小鼠不應(yīng)該出現(xiàn)不適反應(yīng)。

2、雙光子鈣成像技術(shù)：找到情緒相關(guān)神經(jīng)元

為了進(jìn)一步證實表情與情緒之間的相關(guān)性，研究人員利用雙光子鈣成像技術(shù)（two-photon calcium imaging）觀察了老鼠的大腦。

成像結(jié)果顯示，當(dāng)老鼠做出不同表情時，活躍的神經(jīng)元并不相同。如果老鼠的表情變化與情感體驗毫無關(guān)系，那就不可能在其大腦中找到神經(jīng)關(guān)聯(lián)。這說明某些神經(jīng)元只與特定情緒和表情相關(guān)，大腦的不同部分負(fù)責(zé)引起不同的情緒狀態(tài)。

對此，戈戈拉說：“我們證明了一種能精確而動態(tài)地反映情緒狀態(tài)的方法……我們找到了神經(jīng)元與情緒的相關(guān)性。”

此外，研究人員指出情緒編碼可能是“進(jìn)化保守”的，因此人類的情緒機(jī)制極有可能與老鼠相似。

結(jié)語：AI技術(shù)助力，情緒研究再進(jìn)一步

截至目前，學(xué)界對于情緒研究還沒有形成統(tǒng)一見解。此前的學(xué)者試圖從不同的專業(yè)角度進(jìn)行解釋，但未有定論。

本項研究利用機(jī)器視覺和雙光子鈣成像技術(shù)，證實了老鼠的表情、情緒狀態(tài)和大腦之間存在關(guān)系，其腦中不同神經(jīng)活動會引起不同的情緒。

由于人類的情緒機(jī)制或與老鼠的相似，這一發(fā)現(xiàn)也給人類情緒研究帶來了啟發(fā)。

論文中也寫道：“我們給出了一種更基于生物學(xué)的情緒描述，從長遠(yuǎn)來說，這會有所幫助?！?/p>