除非您在过去十年中对世界充耳不闻、视而不见，否则您应该知道功能性磁共振脑成像 (fMRI) 可以观察躺在幽闭恐惧、棺材般的嘈杂磁扫描仪内的志愿者头骨内部。这项技术依赖于血液供应的一个偶然特性来揭示区域活动。活跃的突触和神经元消耗能量，因此需要更多的氧气，这些氧气由循环红细胞内的血红蛋白分子输送。当这些分子将氧气释放到周围组织时，它们不仅会改变颜色——从动脉红色变为静脉蓝色——还会略微变成磁性。
神经组织中的活动会导致新鲜血液的体积和流量增加。血液供应的这种变化，称为血流动力学信号，是通过向头骨发送无线电波并仔细聆听其返回的回波来跟踪的。 FMRI 不直接测量毫秒内发生的突触和神经元活动；相反，它使用相对迟缓的替代物——血液供应的变化——它在几秒钟内上升和下降。 fMRI 的空间分辨率目前仅限于豌豆大小的体素（体积元素），包含约一百万个神经细胞。
神经科学家经常利用 fMRI 来推断志愿者正在看到、想象或打算做什么。这真的是一种原始形式的读心术。现在，一个团队已将这种读取提升到一个新的、令人震惊的水平。
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许多研究小组已经从位于后脑隆起下方的初级、次级和高级视觉皮层区域中发现的大量地图状表示中，推断出躺在磁扫描仪中的志愿者观看的图片的身份。
加州大学伯克利分校的杰克·L·加兰特是这些技术的公认大师，这些技术分两个阶段进行。首先，志愿者躺在磁体中观看几千张图像。仔细记录视觉皮层中数百个体素对每张图像的反应。然后使用这些数据来训练算法，以预测每个体素的 fMRI 反应幅度。其次，这个过程被倒置。也就是说，对于给定的血流动力学反应幅度，一种称为贝叶斯解码的概率技术推断出最有可能引起该特定志愿者观察到的反应的图像（人类大脑差异很大，因此很难使用一个大脑来预测另一个大脑的反应）。
这些技术中的佼佼者利用了关于之前可能见过的图片的现有知识或先验知识。数学上可能的图像数量是巨大的，但在一个人口稠密的世界中遇到的实际场景类型，包括人、动物、树木、建筑物和其他物体，仅占所有可能图像的一小部分。恰如其分地，我们通常遇到的图像称为自然图像。利用包含六百万张自然图像的数据库，加兰特的研究小组在 2009 年展示了如何重建志愿者对他们以前没有遇到过的照片的大脑反应。
从图像到电影
这些重建效果出奇地好，即使它们是基于数十万个高度多样化的神经细胞的模糊活动，每个神经细胞都对图像的不同方面做出反应——其局部强度、颜色、阴影、纹理等等。我已经提到过的另一个限制是神经元信号的速度与 fMRI 信号上升和下降的缓慢速度之间存在 1000 倍的不匹配。
然而，加兰特的研究小组无所畏惧地继续前进，并将贝叶斯重建技术应用于概念上和计算上都更具挑战性的时空重建问题。
该小组的三名成员每人观看了大约两个小时的来自各种好莱坞电影的短片。这些数据用于为每个体素训练一个单独的编码模型。该模型的第一部分由一组神经滤波器组成。这些滤波器基于过去二十年来对人和猴子的视觉皮层神经细胞如何响应看到具有不同位置、大小、运动和速度的视觉刺激的累积研究。模型的第二部分将这些神经元滤波器与血液脉管系统耦合，描述神经元活动如何在慢得多的 fMRI 信号中反映出来。
接下来，他们应用相同的贝叶斯框架来解码 fMRI 信号。他们使用了从 YouTube 随机提取的 5,000 小时的短片，建立了“自然电影”的基线。对相同的三个受试者进行了测试，让他们在磁体中观看他们以前没有看过的电影，这些电影不是从自然电影数据集中提取的。解码器根据每个志愿者的视觉皮层中许多体素的反应来估计最有可能的片段。这是一种非常复杂的基于先前经验的押注形式，广泛应用于各种应用中——例如预测您的信用卡被具有非常不同购买模式的人滥用。
重建大脑中的电影会产生一些惊人的结果。（我强烈建议读者访问加兰特的网站，那里有一部电影突出了观看和解码电影之间的并排比较。）该方法远非完美——重建的片段速度慢且缺乏细节。毕竟，fMRI 信号每秒仅读取一次，而底层电影则动态得多（帧速率为 15 赫兹）。然而，即使对于像我这样的老手来说，最终结果也令人震惊。
未来会怎样？
随着我们的测量工具变得更加精确，我们的算法变得更加复杂，重建电影的质量将会提高。事实上，我们所有人都会进行的视觉白日梦——性幻想、我一直摔倒的攀登的关键点、我本应该告诉老板什么——有一天可能会屈服于这些工具（前提是我在磁扫描仪中完全静止不动地进行图像想象）。谁又能说梦想也可能无法通过加兰特的重建技术来访问呢？
功能性脑成像非常安全，只需要不舒服地躺在狭窄的金属圆筒中几个小时即可。然而，fMRI 的基本时空限制仍然存在。它无法访问感知的原子，即单个神经元。目前，只有植入某些患者大脑中的侵入性微电极（如我的 2011 年 5 月/6 月专栏中所述）才能访问我们最转瞬即逝的体验、思想和有意识的记忆产生的基质。目前，这些仍然是安全的，不会被窥探。