除非您在過去十年中對世界充耳不聞、視而不見，否則您應該知道功能性磁共振腦成像 (fMRI) 可以觀察躺在幽閉恐懼、棺材般的嘈雜磁掃描器內的志願者頭骨內部。這項技術依賴於血液供應的一個偶然特性來揭示區域活動。活躍的突觸和神經元消耗能量，因此需要更多的氧氣，這些氧氣由迴圈紅細胞內的血紅蛋白分子輸送。當這些分子將氧氣釋放到周圍組織時，它們不僅會改變顏色——從動脈紅色變為靜脈藍色——還會略微變成磁性。
神經組織中的活動會導致新鮮血液的體積和流量增加。血液供應的這種變化，稱為血流動力學訊號，是透過向頭骨傳送無線電波並仔細聆聽其返回的回波來跟蹤的。 FMRI 不直接測量毫秒內發生的突觸和神經元活動；相反，它使用相對遲緩的替代物——血液供應的變化——它在幾秒鐘內上升和下降。 fMRI 的空間解析度目前僅限於豌豆大小的體素（體積元素），包含約一百萬個神經細胞。
神經科學家經常利用 fMRI 來推斷志願者正在看到、想象或打算做什麼。這真的是一種原始形式的讀心術。現在，一個團隊已將這種讀取提升到一個新的、令人震驚的水平。
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許多研究小組已經從位於後腦隆起下方的初級、次級和高階視覺皮層區域中發現的大量地圖狀表示中，推斷出躺在磁掃描器中的志願者觀看的圖片的身份。
加州大學伯克利分校的傑克·L·加蘭特是這些技術的公認大師，這些技術分兩個階段進行。首先，志願者躺在磁體中觀看幾千張影像。仔細記錄視覺皮層中數百個體素對每張影像的反應。然後使用這些資料來訓練演算法，以預測每個體素的 fMRI 反應幅度。其次，這個過程被倒置。也就是說，對於給定的血流動力學反應幅度，一種稱為貝葉斯解碼的機率技術推斷出最有可能引起該特定志願者觀察到的反應的影像（人類大腦差異很大，因此很難使用一個大腦來預測另一個大腦的反應）。
這些技術中的佼佼者利用了關於之前可能見過的圖片的現有知識或先驗知識。數學上可能的影像數量是巨大的，但在一個人口稠密的世界中遇到的實際場景型別，包括人、動物、樹木、建築物和其他物體，僅佔所有可能影像的一小部分。恰如其分地，我們通常遇到的影像稱為自然影像。利用包含六百萬張自然影像的資料庫，加蘭特的研究小組在 2009 年展示瞭如何重建志願者對他們以前沒有遇到過的照片的大腦反應。
從影像到電影
這些重建效果出奇地好，即使它們是基於數十萬個高度多樣化的神經細胞的模糊活動，每個神經細胞都對影像的不同方面做出反應——其區域性強度、顏色、陰影、紋理等等。我已經提到過的另一個限制是神經元訊號的速度與 fMRI 訊號上升和下降的緩慢速度之間存在 1000 倍的不匹配。
然而，加蘭特的研究小組無所畏懼地繼續前進，並將貝葉斯重建技術應用於概念上和計算上都更具挑戰性的時空重建問題。
該小組的三名成員每人觀看了大約兩個小時的來自各種好萊塢電影的短片。這些資料用於為每個體素訓練一個單獨的編碼模型。該模型的第一部分由一組神經濾波器組成。這些濾波器基於過去二十年來對人和猴子的視覺皮層神經細胞如何響應看到具有不同位置、大小、運動和速度的視覺刺激的累積研究。模型的第二部分將這些神經元濾波器與血液脈管系統耦合，描述神經元活動如何在慢得多的 fMRI 訊號中反映出來。
接下來，他們應用相同的貝葉斯框架來解碼 fMRI 訊號。他們使用了從 YouTube 隨機提取的 5,000 小時的短片，建立了“自然電影”的基線。對相同的三個受試者進行了測試，讓他們在磁體中觀看他們以前沒有看過的電影，這些電影不是從自然電影資料集中提取的。解碼器根據每個志願者的視覺皮層中許多體素的反應來估計最有可能的片段。這是一種非常複雜的基於先前經驗的押注形式，廣泛應用於各種應用中——例如預測您的信用卡被具有非常不同購買模式的人濫用。
重建大腦中的電影會產生一些驚人的結果。（我強烈建議讀者訪問加蘭特的網站，那裡有一部電影突出了觀看和解碼電影之間的並排比較。）該方法遠非完美——重建的片段速度慢且缺乏細節。畢竟，fMRI 訊號每秒僅讀取一次，而底層電影則動態得多（幀速率為 15 赫茲）。然而，即使對於像我這樣的老手來說，最終結果也令人震驚。
未來會怎樣？
隨著我們的測量工具變得更加精確，我們的演算法變得更加複雜，重建電影的質量將會提高。事實上，我們所有人都會進行的視覺白日夢——性幻想、我一直摔倒的攀登的關鍵點、我本應該告訴老闆什麼——有一天可能會屈服於這些工具（前提是我在磁掃描器中完全靜止不動地進行影像想象）。誰又能說夢想也可能無法透過加蘭特的重建技術來訪問呢？
功能性腦成像非常安全，只需要不舒服地躺在狹窄的金屬圓筒中幾個小時即可。然而，fMRI 的基本時空限制仍然存在。它無法訪問感知的原子，即單個神經元。目前，只有植入某些患者大腦中的侵入性微電極（如我的 2011 年 5 月/6 月專欄中所述）才能訪問我們最轉瞬即逝的體驗、思想和有意識的記憶產生的基質。目前，這些仍然是安全的，不會被窺探。