Sceince：原来动物也有想象力

HHMI的Janelia研究校区的研究人员开发了一种新的系统来探测大鼠的思想，发现动物可以控制它们的大脑活动来想象遥远的地方。

　　

作为人类，我们生活在我们的思想中，从思考晚餐做什么到做最后一次海滩度假的白日梦。

现在，HHMI Janelia研究校区的研究人员发现动物也有想象力。

Lee和Harris实验室的一个团队开发了一种结合虚拟现实和脑机接口的新系统，探测大鼠的内心想法。

他们发现，和人类一样，动物可以想象不在它们面前的地方和物体，用它们的思想想象走到一个地方或把一个遥远的物体移动到一个特定的地方。

和人类一样，当啮齿类动物经历地点和事件时，海马区(大脑中负责空间记忆的区域)会激活特定的神经活动模式。这项新研究发现，大鼠可以自发地产生同样的活动模式，并以此来回忆远离当前位置的遥远位置。

实验室博士后、论文的第一作者Chongxi Lai说:“大鼠确实可以在不去那里的情况下激活环境中地方的代表。即使它的身体是固定的，但空间思维也可以去到一个非常遥远的地方。”

这种想象远离当前位置的位置的能力对于记住过去的事件和想象可能的未来情景是至关重要的。因此，这项新研究表明，动物和人类一样，拥有一种想象力。

Albert Lee说，“想象是人类能做的一件了不起的事情。现在我们发现动物也能做到这一点，我们找到了一种研究它的方法。”

一种新颖的脑机接口

这个项目开始于九年前，当时Lai作为一名研究生来到Janelia，他的想法是测试动物是否会思考。他的导师，Janelia高级研究员Tim Harris建议他走到大厅去和Lee聊天，Lee的实验室也有类似的问题。

两家实验室共同致力于开发一种系统，以了解动物在想什么——一种实时的“思想探测器”，可以测量神经活动并翻译其含义。

该系统使用脑机接口(BMI)，在大脑活动和外部设备之间提供直接连接。在该团队的系统中，BMI产生了大鼠海马体的电活动与其在360度虚拟现实舞台上的位置之间的联系。

海马体储存着与回忆过去事件和想象未来情景有关的世界地图。回忆涉及到与地点和事件相关的特定海马活动模式的产生。但没有人知道动物是否能自愿控制这种活动。

BMI可以让研究人员测试老鼠是否可以激活海马体活动，只想到竞技场中的一个位置，而不实际去那里——本质上，检测动物是否能够想象去那个位置。

探查老鼠内心的想法

一旦他们开发出自己的系统，研究人员就必须创建一个“思想词典”，使他们能够解码鼠的大脑信号。这个字典汇编了大鼠在经历某些事情时的活动模式——在这种情况下，是在虚拟现实舞台上的地方。

这只大鼠被控制在由实验室博士后Shinsuke Tanaka设计的VR系统中。当大鼠在一个球形跑步机上行走时，它的动作会在360度的屏幕上显示出来。当大鼠导航到目标时就会得到奖励。

与此同时，BMI系统记录了大鼠的海马活动。研究人员可以看到，当大鼠在竞技场中导航以达到每个目标时，哪些神经元被激活了。这些信号为实时海马体BMI提供了基础，大脑的海马体活动被转化为屏幕上的动作。

接下来，研究人员断开跑步机，并奖励再现与目标位置相关的海马活动模式的大鼠。在这项以2008年一部同名电影命名的“跳跃者”任务中，BMI将动物的大脑活动转化为虚拟现实屏幕上的运动。从本质上讲，动物通过首先思考他们需要去哪里获得奖励来利用它的思想导航到奖励。这种思维过程是人类经常经历的。例如，当我们被要求去一家熟悉的商店买杂货时，我们可能会在离开家之前想象我们会经过的地方。

在第二个任务中，“绝地武士”任务——向《星球大战》致敬——大鼠仅凭思想将物体移动到一个位置。大鼠被固定在一个虚拟的地方，但通过控制它的海马体活动，将物体“移动”到虚拟现实空间的目标，就像坐在办公室里的人可能会想象拿起咖啡机旁边的一个杯子，然后把它装满咖啡一样。然后，研究人员改变了目标的位置，要求动物产生与新位置相关的活动模式。

研究小组发现，大鼠可以精确而灵活地控制它们的海马活动，就像人类可能做的那样。动物也能够维持这种海马体活动，将它们的思想停留在一个给定的位置几秒钟——这个时间框架类似于人类重温过去的事件或想象新的场景。

Harris说:“令人惊讶的是，大鼠是如何在很长一段时间内学会思考这个地方，而不是其他地方的，这可能是基于我们naïve对大鼠注意力持续时间的理解。”

这项研究还表明，BMI可以用来探测海马的活动，为研究这个重要的大脑区域提供了一个新的系统。根据作者的说法，由于BMI在假肢中的应用越来越多，这项新工作也为基于相同原理设计新型假肢装置提供了可能性。