2023年12月6日晚20點(diǎn)，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、腦認(rèn)知與腦疾病研究所研究員蔚鵬飛教授作為腦客中國科研第126位講者為大家?guī)碇黝}為《計(jì)算神經(jīng)行為學(xué)新技術(shù)與神經(jīng)調(diào)控》的報(bào)告。
尊敬的各位聽眾，非常榮幸今天晚上跟大家在腦客中國平臺(tái)上交流。我今天報(bào)告主要分為兩部分，一個(gè)是計(jì)算神經(jīng)行為學(xué)，另一個(gè)是神經(jīng)調(diào)控。前半部分的內(nèi)容會(huì)稍微多一點(diǎn)，因?yàn)樯窠?jīng)調(diào)控也是我這幾年在與臨床進(jìn)行合作的過程剛開始做的。 然后咱們有什么具體的問題，可以在報(bào)告后進(jìn)行交流。
1、語言腦機(jī)接口的必要性
首先從一些簡單的背景入手，無論是做神經(jīng)生物學(xué)、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)或是臨床研究的過程中，其實(shí)對大腦觀測最直接的方法手段就是對主體行為進(jìn)行評估觀測。一方面，比如說做動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，肯定是從動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的一些臨床行為表情去入手它的一些機(jī)制和功能； 而在臨床上，基因疾病的篩選和評估，一般來說也主要是依賴于主觀或者客觀的評估量表。
所以說行為監(jiān)測，其實(shí)是一個(gè)最直接簡便去評估大腦的窗口。雖然它沒有那么精準(zhǔn)，但其實(shí)是在所有的研究中要做的第一步工作。
2、語言腦機(jī)接口框架
這樣就引出了目前在腦疾病藥物開發(fā)領(lǐng)域，從老鼠到人的實(shí)驗(yàn)對象的變化，存在大量臨床驗(yàn)證失敗的情況。大家就在考慮可能是動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的行為研究結(jié)果不準(zhǔn)確引起的。
舉一個(gè)例子，抑郁癥的相關(guān)研究，所有研究抑郁癥的藥物都必須要用的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)研究范式。 叫強(qiáng)迫游泳行為學(xué)范式。 統(tǒng)計(jì)到2015年，平均每天都有用這個(gè)范式發(fā)表的研究論文。 其中很多藥物最終進(jìn)入到臨床，也是基于這個(gè)實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)結(jié)果。 但是現(xiàn)在這個(gè)范式被質(zhì)疑說其實(shí)它無法代表更加復(fù)雜的人類的抑郁狀態(tài)，已經(jīng)不太推薦作為抑郁癥藥物臨床前評價(jià)的模型使用。 所以說一個(gè)好的實(shí)驗(yàn)評價(jià)行為范式模型，對于腦科學(xué)乃至腦疾病研發(fā)是非常重要的。
2019年，美國神經(jīng)學(xué)會(huì)在成立50周年特刊中特別提到了一篇文章。 現(xiàn)在我們在腦科學(xué)研究中，其實(shí)缺乏精準(zhǔn)的行為測量方法和同步神經(jīng)活動(dòng)記錄的工具，嚴(yán)重限制了神經(jīng)科學(xué)研究。 而未來50年，和對神經(jīng)環(huán)路機(jī)制的細(xì)致挖掘一樣，對行為也應(yīng)該進(jìn)行細(xì)致、自動(dòng)化的篩查、量化。
他們展望未來在包括AI等技術(shù)進(jìn)來以后，希望能夠助力整個(gè)無論是在臨床前的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，還是在實(shí)際的臨床中做篩查，都希望有更多的方法能夠更進(jìn)一步高效和快速的行為篩查相關(guān)工作。
3、國際語言腦機(jī)接口研究進(jìn)展
我們先簡單看一下，一般來說我們在動(dòng)物的腦科學(xué)研究中的行為范式是什么樣的。
主要分成幾大類，首先是預(yù)定義特征的行為。類似于做這種fair condition，就是條件恐懼。 我們會(huì)把動(dòng)物受到電擊以后，它在原地停留的時(shí)間定義為一個(gè)凍結(jié)狀態(tài)，拿它來去衡量動(dòng)物的恐懼以及恐懼記憶產(chǎn)生的程度。
第二類叫做與地標(biāo)（特定位置或物體）相關(guān)的行為。 主要是做社交類的行為，比如說做一些檢查是不是有自閉癥。 我們會(huì)把老鼠放在不同的箱體里面來看它對于新穎老鼠跟同伴老鼠的偏好性來去判斷他社交能力，主要看它是在不同箱體停留的時(shí)間來作為評價(jià)。
這兩類其實(shí)都是在非常有限的情況下去做的一些簡單的指標(biāo)評價(jià)。 而現(xiàn)在我們想做的就是第三類，自然（自發(fā)）行為。 也就是說通過一些更加精細(xì)的活動(dòng)，去分辨出來它是不是有一些腦功能疾病異常的狀態(tài)。
4、漢語的腦機(jī)接口合成
按照方法學(xué)進(jìn)行講解，研究行為學(xué)主要有幾個(gè)步驟：
第一就是行為的記錄。 等于是用攝像頭、傳感器先記錄下來，然后進(jìn)行目標(biāo)的檢測，這是前面檢測的部分。 后面主要是針對這些數(shù)據(jù)，怎么對動(dòng)物姿態(tài)進(jìn)行追蹤，發(fā)現(xiàn)它特定的識別參數(shù)，最后基于這些參數(shù)對行為產(chǎn)生理解的過程。
在經(jīng)典傳統(tǒng)的行為學(xué)方法里面，我們一般會(huì)把動(dòng)物簡單的量化為一個(gè)點(diǎn)兒或是一個(gè)球。 因?yàn)檫^去的追蹤技術(shù)是比較簡單的，主要是看它的一些運(yùn)動(dòng)軌跡特征進(jìn)行評判。
2018年以后，得益于深度學(xué)習(xí)在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域里面的應(yīng)用，逐漸出現(xiàn)了包括Deep LabCut 、SLEAP、Moseq，這種基于深度學(xué)習(xí)對身體姿態(tài)點(diǎn)估計(jì)的技術(shù)。就能夠從原來只是一個(gè)量化的點(diǎn)或球，能夠看它一些更加精細(xì)的身體姿態(tài)特征以及三維特征。
所以2018年以后就產(chǎn)生了一門比較新的研究方向，就是今天的題目，叫計(jì)算神經(jīng)行為學(xué)，通過AI的方法，能夠更加精細(xì)地對動(dòng)物和人的行為進(jìn)行評價(jià)和研究。
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