PNAS：雕刻大脑——第一次直接将一种新的模式写入大脑

“通过我们的方法，我们不仅可以将大脑中复杂的模式推向已知的模式，而且还第一次直接将一种新的模式写入大脑，并测量它对一个人的行为有什么影响，”罗切斯特大学的大脑和认知科学家卡洛琳·乔丹说。

　　

想象一下，能够将一种新的活动模式植入人的大脑，从而加快学习速度，或者更好地治疗精神疾病和发育障碍，如抑郁症或自闭症。现在想象一下，不需要脑部手术或任何物理操作就能做到这一点。听起来像科幻小说？

现在依然如此。但这正是罗彻斯特大学（University of Rochester）大脑与认知科学及神经科学助理教授卡洛琳·乔丹（Coraline Iordan）一直在努力的方向，她首次表明，这种方法当然可以用于学习新的视觉类别的物体。

一般来说，当我们的大脑通过经历、学习或指导发生变化时，就会发生学习。但是，乔丹和他在耶鲁大学和普林斯顿大学的同事们成功地测试了一种新的方法，通过外部操纵和神经反馈来教人类大脑学习——他们称之为大脑活动模式的“雕刻”。这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。

“通过我们的方法，我们不仅可以将大脑中复杂的模式推向已知的模式，而且还第一次直接将一种新的模式写入大脑，并测量它对一个人的行为有什么影响。”

大脑雕刻——一种新的学习方法？

科学家们使用实时神经成像和逐秒神经反馈来改变大脑对视觉对象的表征和处理信息的方式。研究参与者躺在功能性磁共振成像仪（fMRI）内，观看投射在他们头顶上的镜子上的物体，这看起来像一个小屏幕。这个物体——一个被一些参与者描述为花瓣、植物球茎或蝴蝶的抽象形状——在参与者的镜子上轻轻地跳动，直到他们通过自己的思维过程设法将它“移动”到科学家们之前选择的大脑活动模式中（通过功能磁共振成像实时监控）。研究人员指示参与者“产生一种精神状态”，以减少形状的摆动，但没有教参与者如何达到这种精神状态。

普林斯顿大学（Princeton University）的认知神经科学家、合著者乔纳森·科恩（Jonathan Cohen）说：“这项研究的一个显著特征是，对新类别的神经反应和相应行为是在没有明确意识到这些类别的情况下发生的，这表明心理学中关于内隐处理（即对意识之外的信息作出有意义的反应的能力）的长期研究传统也延伸到了新的神经表征的学习和形成。”

这里给研究参与者的即时反馈意味着，一旦他们成功地以更接近研究人员先前指定的大脑活动模式来表现视觉对象，而不是以物体在他们大脑中自然呈现的方式，图像就会停止在镜子上晃动。换句话说，科学家们已经开发出一种方法，可以让人们学习新的视觉对象类别，不是通过教他们分类是什么，而是通过改变他们的大脑在看这些类别中的单个对象时的工作方式。

“我们没有教给你一些东西并测量你的大脑是如何变化的，而是在你的大脑中写了一个新的类别，如果你自己学会了，就会出现这个类别，”乔丹解释说。“然后我们测试你是否看到了我们插入的新类别。事实证明你做到了。”

为了确保研究参与者有很高的动力去成功，如果他们成功地阻止了形象的摇摆，他们就会得到金钱奖励，每天六次的训练可能会带来可观的奖金。

未来的应用

科学家们正在努力更好地了解患有各种神经精神、发育或心理疾病的人的大脑功能究竟发生了什么变化，比如重度抑郁症、视觉失认症（无法识别日常物品）和自闭症。根据乔丹的说法，像他们这样的方法最终可能会在临床治疗中发挥作用，通过改变患者的大脑模式，使他们的大脑模式看起来更接近于神经正常人群的大脑模式，这可能会导致新的治疗方法，无论是单独使用还是与现有疗法相结合。

“这项研究是迄今为止使用实时功能磁共振成像进行大脑训练的最有力的证明之一。耶鲁大学心理学家、合著者尼古拉斯·特克-布朗（Nicholas Turk-Browne）说：“乔丹博士利用神经反馈帮助人们在头脑中建立一个类别，然后影响他们的行为。”“在未来，这一发现可以为脑机接口和临床干预的发展提供信息。”

其核心在于科学家能够以一种前所未有的方式进入大脑。

“我们从本质上颠覆了学习，教会你的大脑一些东西，让你间接获得信息，即使你从未明确地获得过这些信息。这告诉我们，我们可以以一种前所未有的方式接触到大脑中学习的基石——用于学习更复杂的东西，比如整个项目类别、复杂的视觉事物，或者有一天可能会超越这些。”

这项研究得到了约翰邓普顿基金会、英特尔公司和美国国立卫生研究院的资助。