为了帮助我学术部门的朋友，我经常成为功能性磁共振成像 (fMRI) 扫描仪的小白鼠。在大多数情况下，当刺激在我面前的小屏幕上闪烁，扫描仪催眠般的高音调蜂鸣声在周围回响时，我都在努力与睡意作斗争。不过，这次不同。马丁·蒙蒂是剑桥英国医学研究委员会认知和脑科学部门的一位神经科学家同事，他要读取我的思想。当我躺着的床机械地滑入巨大的甜甜圈形扫描仪时，我有一种奇怪的感觉，我即将被“裸视”——至少在精神上是这样。
任务很简单：蒙蒂会问我问题——我有没有兄弟姐妹，我是否认为英格兰队会在当晚的足球比赛中获胜等等。如果我想回答“是”，那么我会想象自己在打网球，通过这样做激活我大脑中已知的一组运动区域。如果我想回答“否”，那么我会想象自己在家里四处走动，激活一组完全不同的、参与场景感知的区域。鉴于每次扫描——以及因此我的每次“是”或“否”回答——都需要五分钟，这次对话并不是我经历过的最精彩的对话，但是当蒙蒂每次都准确猜出我的回答时，这仍然是既刺激又令人不安的。
去年，蒙蒂和其他人对一位被诊断为永久性植物人状态的患者使用了这项技术，这位患者几乎没有表现出任何外在的意识迹象。研究人员证明，这位患者仍然有意识，甚至可以交流，正如他们在 2010 年 2 月 18 日的《新英格兰医学杂志》上报道的那样。这位患者像我一样，仅凭思想就用“是”和“否”回答问题。目前没有其他方法可以表明，一个完全清醒、有交流意识的头脑被困在患者毫无反应的身体里。[有关这项技术在开发过程中的预览，请参阅凯伦·施罗克的文章“解放被禁锢的头脑”；《大众科学·心灵》，2007 年 4 月/5 月。]
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这种科学心灵感应的壮举在十年前是闻所未闻的。但现在，各种形式的“意念读取”开始主导神经科学领域。是什么引起了这场革命？在过去五年中，许多科学家改变了他们分析从脑部扫描中收集的数据的方式。他们使用一种新的信息处理技术，破译了大脑活动，不仅揭示了有意识思想的内容，还揭示了参与者无意识思想中的信息——甚至重新创建了他们在观看的电影中的图像。这项新技术带来了对记忆的复杂运作和决策的复杂过程的深刻见解。而且这种方法仍处于起步阶段——最令人兴奋的突破无疑还在后头。
见树木又见森林
探索他人头脑的努力由来已久。测谎仪代表了一个世纪以来坚持不懈地尝试使用技术来解码思想。但测谎仪的工作方式是间接的——它们只能识别压力反应，而压力反应可能是不诚实的迹象，也可能不是。为了真正读取思想，科学家需要直接解码大脑活动。脑机接口在这方面进展迅速，使用脑电图 (EEG) 或植入大脑的电极来检测神经信号，并将它们转化为移动机械臂或计算机屏幕上光标的命令。研究人员今天正在使用这种技术来训练患有肌萎缩侧索硬化症（或卢伽雷氏症）的患者，他们的运动能力正在慢慢衰退，通过意念控制通信界面。[有关脑机接口的更多信息，请参阅弗兰克·W·奥尔和海宁·舍伊克的文章“你头脑中的芯片”；《大众科学·心灵》，2007 年 4 月/5 月。]
但是，这种类型的信号解码虽然在医学上非常重要，但其意念读取潜力有限；它要求用户进行大量练习，以某种方式引导他们的思想，以便计算机可以将他们的大脑信号转化为运动或语言的命令。在不求助于大量训练方案的情况下解码一系列思维过程需要一种非常不同的方法。
fMRI 应运而生。这种成像技术于 20 世纪 90 年代开发，通过检测流向活跃大脑区域的血流，为窥视工作中的大脑提供了一个全新的机会。但 fMRI 数据集可能非常庞大。每张活动图像可能需要 100,000 个三维像素，称为体素，每两秒钟拍摄一张新图像，最多持续一个小时。将此数字乘以研究中的大约 20 个受试者，最终您可能会得到 40 亿个体素需要检查。解决这个问题的传统方法是只关注每个图像中 100,000 个体素中的一个，在所有受试者的一个位置，并查看该体素的活动是否随着时间的推移而上升或下降，与研究中的精神波动一致。
但以这种方式分析脑部扫描会浪费大量有用的数据，因为它忽略了这些体素如何协同工作，以活动模式来表示信息。旧方法类似于查看模糊照片，并得出结论只有明亮区域才重要。新方法将考虑模糊照片的所有纹理和对比度，衡量它们如何相互关联以创建形状和图形——并最终识别出风景如画的风景或一张笑脸。
这种新的、灵敏度更高的方法，称为多变量模式分析 (MVPA)，实际上是一种人工智能形式。该程序创建算法，将心理事件与特定的大脑活动模式联系起来——例如，当被告知一个人正在考虑网球时，它会在运动区域体素的活动模式中检测到相应的信号——然后，基于这些评估，它会对新大脑数据如何与一个人的精神状态相关联做出预测。每次程序发现可识别的大脑信号模式时，它都会对这个人正在思考什么做出预测——无论是打网球，还是如果明显的脑部活动采取不同的形式，则是完全不同的东西。这些预测有可能让神经科学家读取思想。
定位意识
MVPA 的主要早期成功来自于研究大脑活动如何产生意识的棘手尝试。例如，人们如何对周围的世界产生视觉意识？2005 年，伦敦大学学院的神经科学家格伦特·里斯及其同事研究了一种称为双眼竞争的著名效应。当不同的图像呈现给每只眼睛时，人们一次只能有意识地感知其中一个图像，即使他们的眼睛同时看到两个图像。意识往往会在两个图像之间每 15 秒左右交替一次。里斯团队使用 MVPA 精确定位了当图像来回翻转时大脑中发生的情况。他们了解到，初级视觉皮层（当我们看东西时第一个做出反应的皮层区域）的活动由原始输入组成，这些原始输入与我们有意识地看到的图像几乎无关。其他更复杂的视觉区域在事件链中稍后变得活跃，结果证明是创建人们在任何给定时刻报告看到的图像的区域。标准的脑成像分析方法缺乏检测此类结果的能力。
更耐人寻味的是，里斯和他的同事约翰-迪伦·海恩斯（现就职于柏林伯恩斯坦计算神经科学中心）在 2005 年使用 MVPA 读取了受试者的无意识思想。他们向志愿者展示了黑色圆盘的图片，圆盘上标有朝两个方向之一定向的虚线白线。圆盘大部分时间都被第二个圆盘遮挡，第二个圆盘上有朝两个方向交叉的线条。当遮罩消失时，目标圆盘一次只显示 17 毫秒——时间太短，志愿者无法有意识地记录虚线的方向。而且，正如预期的那样，他们对目标圆盘上线条方向的猜测只有机会水平的准确率（50%）。然而，科学家们使用 MVPA 研究初级视觉皮层，能够了解受试者正在看到的线条方向——即使受试者自己不知道！与之前的研究一样，结果表明初级视觉皮层是眼睛所见事物的某种大脑专用版本；该信息稍后将由其他视觉大脑区域以更自觉的方式处理。
不久之后，这些强大的 MVPA 方法就扩展到了远离意识感知的领域。尽管在使用 MVPA 预测一个人何时撒谎方面取得了在伦理上存在争议的进展[请参阅马蒂亚斯·加默的文章“谎言画像”；《大众科学·心灵》，2009 年 2 月/3 月]，但在另一个领域出现了更为深刻的结果：决策制定。
2008 年，海恩斯要求志愿者在 fMRI 扫描仪中执行一项简单的任务——选择按遥控器上的左按钮还是右按钮。当海恩斯设置他的 MVPA 算法来学习哪些模式与此决定相对应时，他惊讶地发现前额叶皮层和顶叶皮层（参与处理新颖或复杂目标的区域）中存在强烈的信号，甚至在志愿者有意识地决定采取行动之前 10 秒。这一结果具有深远的意义。这是否意味着我们没有自由意志？或者自由意志是否只在更复杂的决策中发挥作用？还需要更多的研究来回答这些问题——但令人兴奋的是，MVPA 已经将这些曾经严格属于哲学范畴的关注问题带入了科学研究的领域。
我知道你在看什么
许多 fMRI 研究的一个缺点是刺激物过于人工化——例如，黑色圆盘上的虚线白线——因此它们对现实世界的概括性有限。但现在，由于 MVPA 方法的灵活性和强大功能，在扫描仪中显示照片或视频并分析由此产生的大脑活动是可行的。这些方法使科学家能够改进他们对记忆基本运作方式的理解。例如，同样在伦敦大学学院的神经科学家埃莉诺·马奎尔及其同事最近使用 MVPA 来识别存储记忆的大脑部分——海马体中的模式。正如 3 月 23 日《当代生物学》杂志报道的那样，研究人员向志愿者展示了三个七秒的电影片段，描绘了女性进行日常活动（例如，从咖啡杯中喝水，然后扔掉）。然后，志愿者回忆每个片段，同时研究人员扫描他们的大脑。研究人员使用 MVPA 能够预测每个志愿者在任何给定时间回忆哪个片段。他们还发现，海马体内的特定区域，包括左右前部和右后部，对于存储这些所谓的情景记忆尤为重要。
尽管结果令人印象深刻，但迄今为止的研究相对粗糙，只能识别少数几种精神状态之一（网球比赛或家庭布局？）。这与真正的心灵感应相去甚远，真正的心灵感应是指查看神经活动就可以揭示一个人的想法，而无需参考预设的可能选项列表。不过，一个实验室似乎正在逐渐接近。加州大学伯克利分校的神经科学家杰克·加兰特在 2008 年发表的结果表明，他的模式识别程序可以猜测出受试者刚刚看过的 1,000 张图片中的哪一张——与其他算法已经学会解析的两个或三个选项相比，这是一个巨大的飞跃。在去年秋天的神经科学学会会议上，他展示了更进一步的数据——实际上是从视觉皮层的活动中重建了志愿者在观看一系列电影预告片时所看到的内容。例如，在屏幕上出现一个穿白色衬衫的男人的那一刻，程序会吐出一个白色躯干的轮廓。这些数据尚未在同行评审的期刊上发表，重建还处于初步阶段，因此应该谨慎看待这些结果。然而，这种初步进展暗示了诱人的可能性，例如“读取”犯罪证人的记忆或记录和回放梦境中的视觉图像的能力。
一些科学家仍然对 MVPA 的前景持怀疑态度。证明该技术做出准确预测的研究在统计学上具有显著意义，但这通常意味着计算机的猜测仅比机会水平高出一点点。例如，许多依赖 MVPA 在两个备选项之间进行选择的研究得分约为 60% 的准确率，而盲猜会给出 50%——这是一个有用的改进，但几乎不是心灵感应。我参与的“是或否”实验要稳健得多，部分原因是它在评估猜测之前收集了大量数据。然而，如果我恶作剧地想象自己打棒球而不是网球，或者在我童年的家而不是现在的家周围导航，预测程序和实验人员都不会知道我违反了规则。
归根结底，fMRI 扫描仪显示的是神经活动的嘈杂、间接的测量——血流量被认为与活动相关，但它可能不是一个完美的代理。数据的不完美性质对该技术可以实现的目标造成了内在的限制。即使 fMRI 提供了直接测量，它仍然是一个近似的测量：单个体素代表数万个神经元的集体活动。尽管如此，MRI 物理学方面的技术进步可能即将到来，从而实现更可靠、更高分辨率的测量，并将真正的心灵感应从科幻小说的领域中推出来。