“读心术”解密——大脑语义图谱给了我们什么样的惊喜？
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4月27日，Nature搞了个大新闻——破解大脑语义图谱！
就是不同语义的词汇对应的大脑区域被绘制出来啦！
通过记录人脑对语言刺激的反应，伯克利绘制出了大脑的“语义图谱”！
它长这个样子：
看到这彩色的揉皱的图，搞精神影像的小医瞬间从座位上弹飞起
——天啦噜，绝对大惊喜啊！太牛掰了！
——麻烦你翻译翻译，什么叫“惊喜”？
哼，翻译就翻译~
先说"喜"。
话说学心理的同学最容易遇到别人问这么个问题：
“猜猜我现在在想什么？”
以前遇到这种问题，学心理的妹子心中翻了无数个白眼“猜你妹！”
现在好啦，有了这个语义图谱，妹子马上释放谜之微笑，用甜嗲的声音说：
“亲，来扫个磁共振吧，让我们看看你现在在想什么~”
天啊，这不就是“读心术”吗？
是呀是呀。
还记得2009年Vilayanur Ramachandran在TED的演讲: The neurons that shaped civilization吗，里面提到了镜像神经元，讲某个动作有其对应的神经元簇，当你看到别人做这个动作时会激活相应的神经元簇。语义信息也是类似的，之前存在的假设是，语义也有其对应的神经元簇。换句话说，大脑皮层就像是电脑硬盘，存储着的不同的记忆信息（比如语义、动作、图像）。
所以反过来，知道了哪个位置放哪些语义信息，我们就可以通过磁共振看到你大脑的哪个位置被激活，不就可以推测你现在脑子里在想些什么了吗？！
所以这个实验成果让人欣喜的地方就是，将语义特征与脑区相对应，并建立了预测模型。
建立模型的所需数据来自受试者们听故事时的大脑血氧变化情况。使用预测模型时，受试者们会听到新的故事，研究者用该模型预测受试者听到相应词汇时被激活的脑区。预测结果和脑部实际反应情况相似度很高。
等等，好像有哪里不对？
这个实验脑区激活是因为听到词汇，并不是他们不说话心理在想事情呀，而且只能通过脑区猜测大概的听到的意思，只能算大概读心，也并不算准确读心啊？
确实目前暂时不能精确显示你脑子里飘过的话。但是，这是准确读心的第一步！
因为，人的思维主要的载体是语言，特别是声音信息。你想想，你现在在读这篇文章时是不是感觉好像脑子里有轻微的声音在念这些文字？
所以当我们能够基本定位不同语义所在的脑区，那么接下来的实验将是检测受试者在说话时每个词对应的脑区了。在不久的将来，当方法获得进一步突破时，我们不仅能够通过磁共振探查你脑子里在想什么，实现精确测谎，还能够观察到精神分裂症患者的幻听是怎么产生的，找到让创伤后应激障碍患者反复闪回创伤事件的神经元簇，对病灶实现精确定位和治疗，帮助患者摆脱痛苦。
那么“惊”的地方在哪里呢？
方法！
此前的研究已经发现了人脑中存在由一系列脑区所构成的“语义系统”（semantic system）来对语义信息进行加工编码[1]。但是我们一直不清楚这些信息具体存放的位置。
而这次！这么暴力破解硬盘里哪个东西在哪个位置！还是第一次！！
而且还在没有把硬盘拆了的情况下！
还记得Brodmann分区怎么怎么做的吗？尸检啊！还记得生理书上是怎么知道哪个脑区有什么功能的吗？动物实验啊，电刺激或者切除实验动物特定的脑区看它功能缺失或亢奋的情况啊。比如中学生物课本里被切除小脑后四条腿走路都走不稳的狗。
而这次用的活人也！不用尸检不用电击，只需要在磁共振里躺两个小时听故事（虽然也挺难受的），然后通过数据处理，就得到了你那块脑区装哪几坨语义的预测模型，简直纯天然无公害嘛！
来来来，小医我详细给你唠嗑唠嗑我是怎么被惊到的。（看不懂专业部分的朋友可以直接拉到最后看吐槽）
该研究只找了7名健康志愿者，其中两个还是作者。受试者们躺在比胶囊旅馆还小的乌漆麻黑又嗡嗡作响的磁共振机的洞洞里面，听两个多小时的故事，采集受试者听故事时大脑的血氧水平依赖（BLOD）信号水平变化。
然后，分析每一个词汇播放时对应时间点的相关激活脑区。
（——好像很简单的样子也，有什么可惊奇的吗？）
简单？图样图森破。
首先科普一下哈，功能核磁共振研究（fMRI）应用非常广泛，但是有一个问题是，时间分辨率较低，比脑电图（EEG）差得多。所以既往的很多功能核磁共振的研究设计都要设置对照，得到的实验结果多是将执行任务时的信号变化与安静状态下的信号相比较，从而获得执行任务时激活升高或下降的脑区，进而得出该脑区与某种功能相关。
但是伯克利居然得到了这么精确定位的刺激-图像对应的结果！
我的天啊！这就像是儿童简笔填色图和秘密花园填色图之间的差别！
怎么做到的？
首先，这两个多小时给受试者听了十多个故事，每个故事的长度为10-15分钟。每个故事中，都存在重复的词汇。比如说，词汇dance（即刺激）在T1，T2，T3都出现了，那么研究者就会寻找在这三个时间点BLOD信号都有相同变化的脑区。于是，普通fMRI的实验一般也就是比较两个时间区间（任务态和静息态）的结果，而这个超级fMRI测试了985个基本英文词汇，每个词汇要比较多个时间点的结果。多大的运算量！
其次，这是听觉信号的fMRI研究的啊！在嗡嗡作响的磁共振机的洞洞里面放故事，这噪声所致混杂因素得有多大！数据降噪处理得有多牛掰！更何况普通fMRI任务态有个时间区间，静息态也有个时间区间，这样的时间区间的存在，在信号处理时可相对降低头动、噪声等混杂因素所致偏倚；而这个超级fMRI里每个词播放的时间点需要与当时的图像信号相对应。
再次，怎么能确定那个词就在那个脑区？
在该实验中这近千的词汇被分为了12个不同类型（如触觉、视觉、数字、地点等），发现词汇相关意义相关的词语所激活的大脑区域很相似。也就是说，数字1234567都在那一坨，味觉酸甜苦咸都在这一坨，所以得到的结果其实应该是：
每一个体素坐标（x,y,z）对应的是一坨词汇。
读方法我已经快读哭了，为了搞定这么庞大的数据处理，研究者先分别对语义刺激和图像信号建立了声音语义编码模型和体素结构编码模型（体素的意思就是把大脑理解为一个一个小小的正方体组成，每个正方体对应一个x,y,z的三维坐标，同时在该位置有一个对应的BLOD信号），然后对两者间的联系进行了语义主成分分析，使用数据驱动方法对985个英文基本词汇对应的相关位置都进行了分析。
最后建立的预测模型叫The PrAGMATiC generative model（一个概率和生成模型），用来分析哪些脑区是所有受试者所共享的，最终用以预测收听新故事时受试者激活的脑区。
番外：同行们关心的问题
1.既往研究的情况
这篇文章一开头introduction部分提到的文献就是一篇对120项关于语义的fMRI研究的meta分析，用的ALE软件，最后发现与语义相关的7个脑区：后下顶叶，颞中回，梭状回和海马旁回，背内侧前额叶皮层，额下回，腹内侧前额叶皮层和后扣带回。二次分析表明该网络对不同类型语义（如抽象概念、动作、具体概念）激活的脑区不同。
没错，120篇儿童简笔画填色图合在一起还是儿童简笔画填色图。但是它确认了不同类型的语义确实存在其对应的脑区，这是该研究的理论基础和证据支持。(其它的研究肯定有，需要另写篇文章扒)
另外一个值得注意的是，伯克利的这个团队于2012年在Neuron发了篇对于视觉图像对应脑区的研究[3]。方法非常类似，主要是刺激信号为视觉图像，也是寻找不同意义的图像对应的脑区。在这个研究中，该团队建立了对刺激-脑区信号处理的体素结构编码模型和图像意义编码模型，后面的数据分析也与此次研究类似。
也就是说，该团队先用噪声较小的视觉图像信息作为刺激源，建立了刺激-脑区对应的数据处理方法和模型。然后在后面的研究中，将刺激替换为听觉词汇信号，并对词汇进行语义归类，再稍微修改一下之前的模型和方法细节，发表杂志就从Neuron上了一个台阶到Nature.
当然，实际并不是那么简单，要不才7个人每人两个多小时一共14小时的数据花2年才做出听觉研究的成果投出稿件，稿子又审了2年才发表呢？
2.长达两年的审稿
这篇文章实际上在2014年就已经投给Nature了呀，然而在今年三月才被接收。不知道磨叽这么长是不是因为方法部分对混杂因素的处理受到质疑呢（我瞎猜的）。
结尾
从多年前的布罗德曼分区到德国尤里希研究中心的 Katrin Amunts等人绘制了细胞级分辨率的大脑3D结构图谱，从连接组学的推动者Sebastian Seung的神经元间突触连接的三维图像到 Karl Deisseroth 的透明大脑（Clarity） 的技术，还有在动物实验中精确控制某指定神经元簇的光遗传学技术，还有集成了各国海量磁共振数据的ENIGMA组织，方法的进步让我们能够处理更多的数据获得更多的信息，从结构到功能，探究大脑的奥秘。
文章的图来自Huth的文章和网站http://gallantlab.org/huth2016/的截图。
参考文献
[1] Binder, J. R., Desai, R. H., Graves, W. W. &Conant, L. L. Where is the semantic system? A critical review and meta-analysisof 120 functional neuroimaging studies. Cereb. Cortex 19, 2767–2796(2009).
[2] Huth, A.G., de Heer, W.A., Griffiths, T.L., Theunissen, F.E., Gallant, J.L., 2016. Natural speech reveals the semantic maps that tile human cerebral cortex. Nature 532, 453–458. doi:10.1038/nature17637
[3] Huth, A. G., Nishimoto, S., Vu, A. T. & Gallant, J. L. A continuous semantic space describes the representation of thousands of object and action categories across the human brain. Neuron 76,1210–1224 (2012)
PS:小医目前为精神影像博一学生，如有疏漏及错误恳请指正。
作者既往文章：
对该研究结果的欢乐版解说详见赵思家的公众号 “神经科学”中的
大脑词汇地图——4月27日最新自然封面文章
心理语言学解析见公众号 “科学人"中北南的文章
Nature：我说的话，点亮你大脑的哪个角落？ |科学人
吐槽：以后姐妹们不用再问男人“你爱不爱我？”了，做个磁共振就知道了哈哈~
附文的科幻就是讲读心术的，快点开吧！
——客官，已经给你翻译了什么叫“惊喜”，顺手转发一下吧。
90℃2016-04-29 18:07:58
哇塞，以后相亲就更容易了耶
Freeman2016-04-29 17:39:39
徐医生解读—深入浅出，鞭辟入里，条分缕析，可圈可点~
Zoey莹2016-04-29 22:12:12
感谢作者！不过读脑真的可以吗 因为理论上一个词的表征可能不是某个神经元，而是对应着一组神经联结的pattern，所以很可能一个脑区就是所有相关词汇的聚集地，23456全是它，这怎么读赞 5