“精灵鼠小弟”成真！AI破解小鼠表情密码，证明150年前达尔文之问

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  新智元报道  

来源：nature

编辑：张佳

【新智元导读】日前，Science刊登了来自马普神经生物学研究所科学家的新研究：首次利用机器学习算法破译了小鼠的面部表情。不仅成功区分小鼠高兴、恐惧、恶心、疼痛等表情，还测量出对应情绪的强度。这项研究对精确定位人脑中表达特定情绪的神经元有着重要意义。「新智元急聘主笔、高级主任编辑，添加HR微信（Dr-wly）或扫描文末二维码了解详情。」

日前，一项题为“Facial expressions of emotion states and their neuronal correlates in mice”（小鼠情绪状态的面部表情及其与神经元的关系）的研究在Science上发表，引发广泛关注。

论文地址：

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

在这一研究中，来自马克斯·普朗克神经生物学研究所的研究人员使用机器学习算法破译了实验室小鼠看似神秘的面部表情。这项工作可能会对精确定位人脑中编码特定表达的神经元有所启示，同时可能会影响我们治疗情绪障碍的方式。

David Anderson

加州理工学院的神经科学家David Anderson表示：这一研究是了解情绪的某些神秘方面以及它们如何在大脑中表现出来的“重要的第一步”。

达尔文情感表达的例子：(a)人类表达恐惧；(b)黑猩猩表达失望而生闷气；(c)猫表达敌意和(d)狗表达敌意。

大约150年前，查尔斯·达尔文提出，动物的面部表情可能像人类一样，是情绪表达的一个窗口。但是研究人员直到最近才获得了像强大的显微镜、照相机和基因技术等工具，可以可靠地捕获和分析面部运动，并研究情绪是如何在大脑中产生的。

Nadine Gogolla

“我们对人类的情绪状态感到着迷，”领导这项为期三年研究的马普神经生物学研究所的神经科学家Nadine Gogolla说： “我想看看我们是否可以通过动物研究来了解这些状态如何在大脑中出现。” 

Gogolla的灵感来自一篇2014年发表在《细胞》杂志的论文，题为“A Framework for Studying Emotions across Species”（跨物种情感研究框架）。这项研究由David Anderson和Ralph Adolphs合作完成，两位均来自加州理工学院。

论文地址：

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

在这一研究中，作者认为情绪等“大脑状态”应表现出特定的特征，例如，它们应该是持久的，并在诱发它们的刺激消失后持续一段时间。并且，它们应该随刺激的力度而延长。

如何测量小鼠的表情？

Gogolla的团队将小鼠的头部固定，让它们保持静止，然后提供不同的感官刺激，旨在触发特定的情绪，并拍摄小鼠的脸部。例如，研究人员将甜味或苦味的液体涂在这些小鼠的嘴唇上，以唤起愉悦或厌恶。他们还对小鼠的尾巴进行微小而痛苦的电击，或者给小鼠注射氯化锂以引起不适。

小鼠的6种面部表情，从左到右：厌恶、开心、疼痛、恐惧、恶心、逃跑

科学家们知道，小鼠可以通过移动耳朵、脸颊、鼻子和眼睛上部来改变自己的表情，但是它们不能准确的将表情分配给特定的情绪。因此，当动物对不同的刺激做出反应时，他们将面部肌肉运动的视频分解为超短快照。

但是，仅靠观察并不能确定这些情绪的强度。因此，神经生物学家接下来建立了每个面部表情的描述符，并训练计算机在一秒钟之内将其检测出来。Gogolla说，这有效地“测量”了情绪。

机器学习算法可以识别出不同的表情，这些表情是由特定的一组面部肌肉的运动产生的。这些表情与诱发的情绪状态相关，如快乐、厌恶或恐惧。例如，一只正在享受快乐的小鼠把鼻子向下拉向嘴巴，并将耳朵和下巴向前拉。相反，当它感到疼痛时，它会把耳朵往后拉，鼓起脸颊，有时还会眯起眼睛。面部表情具有Anderson和Adolphs提出的特征，例如，它们具有持久性，其强度与刺激强度相关。

Camilla Bellone

“这种观察面部表情的方法是一个很大的优势，因为它避免了实验者的任何偏见，”瑞士日内瓦大学研究神经精神疾病的Camilla Bellone说。

然后，科学家们寻找可能在大脑中编码这些情绪的脑细胞。他们使用一种称为“光遗传”（optogenetics）的技术，将小鼠的单个神经元回路作为目标，这些回路已被证明可以触发人类和其他动物的特定情绪。当作者直接刺激这些神经回路时，小鼠做出相应的面部表情。

最后，研究小组使用了一种称为“双光子钙成像”的技术来识别小鼠大脑中的单个神经元，这些神经元只有在特定的情绪和面部表情被唤起时才会被激活。

“它们可能代表了大脑情绪编码的一部分，”Gogolla推测： “我们认为情绪编码可能是进化上保存的（evolutionary conserved），因此人类和小鼠的编码可能具有一些共同的特征。”

参考链接：

https://www.nature.com/articles/d41586-020-01002-7

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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