一家德國(guó)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(xiàng)研究證實(shí)了老鼠的表情與情緒之間存在對(duì)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(shuō)紛紜，尚無(wú)定論

在約150年以前，就有學(xué)者對(duì)動(dòng)物面部表情的形成機(jī)制做出了猜想。英國(guó)生物學(xué)家查爾斯·達(dá)爾文（Charles Darwin）提出，動(dòng)物的面部表情就像人類(lèi)一樣，是其表達(dá)情緒的窗口。但受限于技術(shù)水平，這個(gè)想法一直沒(méi)有得到驗(yàn)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(huì)持續(xù)一段時(shí)間。另外，刺激越大，情緒變化就會(huì)越大。

受到這篇論文的啟發(fā)，再加上對(duì)情緒研究的興趣，德國(guó)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?dòng)物實(shí)驗(yàn)中了解這些（情緒）狀態(tài)是如何在大腦中出現(xiàn)的?！彼f(shuō)。

二、解碼老鼠表情：機(jī)器視覺(jué)+大腦成像

為了解答上述疑問(wèn)，戈戈拉的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，研究人員先對(duì)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(huì)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(jué)抓取老鼠表情變化

論文中指出，人類(lèi)憑借肉眼對(duì)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(jué)（machine vision）算法來(lái)觀察。

機(jī)器視覺(jué)即用機(jī)器人代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷。研究人員會(huì)拍下老鼠表情變化的過(guò)程，再把視頻輸入機(jī)器視覺(jué)算法模型中。算法會(huì)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(píng)價(jià)說(shuō)：“這種看待面部表情的方式具有很大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗苊饬藢?shí)驗(yàn)者的任何偏見(jiàn)?！?/p>

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

但是，機(jī)器視覺(jué)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(dòng)物的神經(jīng)元。研究人員選擇了一些已被證實(shí)能觸發(fā)動(dòng)物情緒的神經(jīng)元，用光束對(duì)其施加刺激，這時(shí)老鼠的表情出現(xiàn)了相應(yīng)的變化。這就說(shuō)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(chēng)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(shí)，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(yàn)時(shí)，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(shí)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(shí)，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(yàn)毫無(wú)關(guān)系，那就不可能在其大腦中找到神經(jīng)關(guān)聯(lián)。這說(shuō)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(duì)此，戈戈拉說(shuō)：“我們證明了一種能精確而動(dòng)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?！?/p>

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(lèi)的情緒機(jī)制極有可能與老鼠相似。

結(jié)語(yǔ)：AI技術(shù)助力，情緒研究再進(jìn)一步

截至目前，學(xué)界對(duì)于情緒研究還沒(méi)有形成統(tǒng)一見(jiàn)解。此前的學(xué)者試圖從不同的專(zhuān)業(yè)角度進(jìn)行解釋?zhuān)从卸ㄕ摗?/p>

本項(xiàng)研究利用機(jī)器視覺(jué)和雙光子鈣成像技術(shù)，證實(shí)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(dòng)會(huì)引起不同的情緒。

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

論文中也寫(xiě)道：“我們給出了一種更基于生物學(xué)的情緒描述，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，這會(huì)有所幫助。”