人工智能解码小鼠面部表情 为揭开人类情感状态秘密奠定基础

研究人员使用了一种机器学习算法来破译实验室老鼠看似不可思议的面部表情。这项工作可能会对精确定位人类大脑中编码特定表情的神经元产生影响。

位于帕萨迪纳市的加州理工学院的神经学家大卫·安德森说，他们的研究是了解情绪的一些神秘方面以及它们在大脑中如何表现的“重要的第一步”。

大约150年前，查尔斯·达尔文提出，动物的面部表情可能是了解它们情绪的窗口，就像人类一样。但是研究人员直到最近才获得可靠的工具——如强大的显微镜、照相机和基因技术——来捕捉和分析面部运动，并研究情绪是如何在大脑中产生的。

德国马普神经生物学研究所的神经学家Nadine Gogolla领导了这项为期三年的研究，她说:“我对人类有情感状态这一事实很感兴趣。” “我想看看我们能否从动物研究中了解这些状态是如何在大脑中出现的。”这项研究发表在《科学》杂志上。

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Gogolla的灵感来自于2014年安德森与拉尔夫•阿道夫斯(Ralph Adolphs)共同发表在《细胞》上的论文，后者也在加州理工学院。在这项研究中，他们提出了这样的理论：像情绪这样的“大脑状态”应该表现出特定的特征——它们应该是持久的，例如，在引起它们的刺激消失后，它们应该持续一段时间。而且，它们应该随着刺激力度的加大而扩大规模。

面部价值

Gogolla的团队固定小鼠的头部，让它们保持不动，然后提供不同的感官刺激来触发特定的情绪，并拍摄这些动物的面部。例如，研究人员把甜的或苦的液体放在动物的嘴唇上，以唤起快乐或厌恶。他们还对小鼠的尾巴进行了小而痛苦的电击，或者给小鼠注射了氯化锂，使其感到不适。

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，但他们无法可靠地将这些表情赋予特定的情感。因此，他们将面部肌肉运动的视频分解成超短的快照，让动物们对不同的刺激做出反应。 

机器学习算法识别由特定的面部肌肉群运动产生的不同表情。这些表情与唤起的情绪状态相关，如高兴、厌恶或恐惧。例如，一只体验快乐的小鼠将鼻子向下拉向嘴巴，将耳朵和下巴向前拉。相比之下，当它感到疼痛时，它会收缩耳朵，鼓起脸颊，有时还会眯起眼睛。面部表情具有安德森和阿道夫斯提出的特征——例如，它们是持久的，而且它们的强度与刺激强度相关。

“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。利用一种被称为光遗传学的技术，他们瞄准了小鼠身上的单个神经元回路，这些神经元回路已经被证明能够触发人类和其他动物的特定情绪。当研究人员直接刺激这些回路时，小鼠会做出相应的面部表情。

最后，研究小组使用了一种叫做双光子钙成像的技术来识别老鼠大脑中的单个神经元，这些神经元只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中情绪编码的一部分。”Gogolla推测道。“我们认为，对情感的编码可能是进化保守的，因此人类和小鼠的编码可能有一些共同的特征。”

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