「精靈鼠小弟」成真！AI破解小鼠表情密碼，證明150年前達爾文之問

新智元報道

來源：nature

編輯：張佳

日前，一項題為「Facial expressions of emotion states and their neuronal correlates in mice」（小鼠情緒狀態的面部表情及其與神經元的關係）的研究在Science上發表，引發廣泛關注。

論文地址：

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

在這一研究中，來自馬克斯·普朗克神經生物學研究所的研究人員使用機器學習演算法破譯了實驗室小鼠看似神秘的面部表情。這項工作可能會對精確定位人腦中編碼特定表達的神經元有所啟示，同時可能會影響我們治療情緒障礙的方式。

David Anderson

加州理工學院的神經科學家David Anderson表示：這一研究是了解情緒的某些神秘方面以及它們如何在大腦中表現出來的「重要的第一步」。

達爾文情感表達的例子：(a)人類表達恐懼；(b)黑猩猩表達失望而生悶氣；(c)貓表達敵意和(d)狗表達敵意。

大約150年前，查爾斯·達爾文提出，動物的面部表情可能像人類一樣，是情緒表達的一個窗口。但是研究人員直到最近才獲得了像強大的顯微鏡、照相機和基因技術等工具，可以可靠地捕獲和分析面部運動，並研究情緒是如何在大腦中產生的。

Nadine Gogolla

「我們對人類的情緒狀態感到著迷，」領導這項為期三年研究的馬普神經生物學研究所的神經科學家Nadine Gogolla說： 「我想看看我們是否可以通過動物研究來了解這些狀態如何在大腦中出現。」

Gogolla的靈感來自一篇2014年發表在《細胞》雜誌的論文，題為「A Framework for Studying Emotions across Species」（跨物種情感研究框架）。這項研究由David Anderson和Ralph Adolphs合作完成，兩位均來自加州理工學院。

論文地址：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2014.03.003

在這一研究中，作者認為情緒等「大腦狀態」應表現出特定的特徵，例如，它們應該是持久的，並在誘發它們的刺激消失後持續一段時間。並且，它們應該隨刺激的力度而延長。

如何測量小鼠的表情？

Gogolla的團隊將小鼠的頭部固定，讓它們保持靜止，然後提供不同的感官刺激，旨在觸發特定的情緒，並拍攝小鼠的臉部。例如，研究人員將甜味或苦味的液體塗在這些小鼠的嘴唇上，以喚起愉悅或厭惡。他們還對小鼠的尾巴進行微小而痛苦的電擊，或者給小鼠注射氯化鋰以引起不適。

小鼠的6種面部表情，從左到右：厭惡、開心、疼痛、恐懼、噁心、逃跑

科學家們知道，小鼠可以通過移動耳朵、臉頰、鼻子和眼睛上部來改變自己的表情，但是它們不能準確的將表情分配給特定的情緒。因此，當動物對不同的刺激做出反應時，他們將面部肌肉運動的視頻分解為超短快照。

但是，僅靠觀察並不能確定這些情緒的強度。因此，神經生物學家接下來建立了每個面部表情的描述符，並訓練計算機在一秒鐘之內將其檢測出來。Gogolla說，這有效地「測量」了情緒。

機器學習演算法可以識別出不同的表情，這些表情是由特定的一組面部肌肉的運動產生的。這些表情與誘發的情緒狀態相關，如快樂、厭惡或恐懼。例如，一隻正在享受快樂的小鼠把鼻子向下拉向嘴巴，並將耳朵和下巴向前拉。相反，當它感到疼痛時，它會把耳朵往後拉，鼓起臉頰，有時還會眯起眼睛。面部表情具有Anderson和Adolphs提出的特徵，例如，它們具有持久性，其強度與刺激強度相關。

Camilla Bellone

「這種觀察面部表情的方法是一個很大的優勢，因為它避免了實驗者的任何偏見，」瑞士日內瓦大學研究神經精神疾病的Camilla Bellone說。

然後，科學家們尋找可能在大腦中編碼這些情緒的腦細胞。他們使用一種稱為「光遺傳」（optogenetics）的技術，將小鼠的單個神經元迴路作為目標，這些迴路已被證明可以觸發人類和其他動物的特定情緒。當作者直接刺激這些神經迴路時，小鼠做出相應的面部表情。

最後，研究小組使用了一種稱為「雙光子鈣成像」的技術來識別小鼠大腦中的單個神經元，這些神經元只有在特定的情緒和面部表情被喚起時才會被激活。

「它們可能代表了大腦情緒編碼的一部分，」Gogolla推測： 「我們認為情緒編碼可能是進化上保存的（evolutionary conserved），因此人類和小鼠的編碼可能具有一些共同的特徵。」

參考鏈接：

https://edition.cnn.com/2020/04/02/world/mice-facial-expressions-scn-trnd/index.html

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/04/200402144430.htm

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