钢铁人电影里的3D大脑星云不再是科幻场景！美国加州大学两分校的科学家和计算机艺术家合作，结合科学于科技，实作出实时展示大脑活动的3D动态大脑模型 Glass Brain，让我们能飞进脑中的小宇宙。
2014 Mainly Mozart活动照片。Mickey Hart (中)、Tim Mullen (右)。Photo Credit: James Chute and [2].
还记得电影《钢铁人3》的剧情吗？坏博士Killian来到钢铁人女友Pepper的公司，在桌上丢了三个小钢珠，顿时就投影出一颗像宇宙星云般的3D大脑模型。趁着Pepper惊叹之余，Killian牵起她的手走进自己的大脑影像，轻声在她耳边说......
当我们还跟着Pepper惊艳于那美丽的大脑星云时，这项技术的真实版本已经悄悄诞生。这个称为「Glass Brain」的计划 [1]，由美国加州大学旧金山分校 (UCSF) 的神经科学家 Adam Gazzaley团队、加州大学圣地亚哥分校 (UCSD) 史瓦兹中心 (Swartz Center for Computational Neuroscience) 的计算神经科学家Tim Mullen及Christian Kothe、计算机艺术家Matt Omernick等人共同合作，主旨在实作出能展示实时 (real-time) 大脑活动的3D动态大脑模型。甚至可以藉由游戏游戏杆及虚拟实境，飞进脑中的小宇宙！
场景拉到2014年5月某个周日，一群音乐家及科学家聚集在美国南加州风光明媚的圣地亚哥，他们来参加当地「Mainly Mozart」的音乐与科学盛会 [2]。舞台上坐着已成为经典的摇滚乐团Grateful Dead的鼓手Mickey Hart，他正在敲打着狂野的节奏。不同于一般鼓手的造型，他散乱的头发被一顶黑色的帽子紧紧包覆，眼前罩着一副全黑的护目镜，样子十分滑稽。那顶帽子其实布满电极，能实时量测Mickey的脑波讯号并无线传播到后台的计算机；那具护目镜是当时刚推出的虚拟实境头戴显示器Oculus Rift，能让Mickey看到720度全景环绕的虚拟影像。此时蓄着长发的主持人Dr. Mullen也戴着一副Oculus Rift走上台。他们背后的巨大屏幕墙突然出现两个影像，左边是Mickey看到的虚拟场景，像在宇宙中飞行，他敲打的节奏化为实际的影像在空荡的宇宙中回荡；右边则是Dr. Mullen看到的虚拟影像，那竟然是颗如宇宙星云般的半透明3D大脑模型，而且脑中不同区域还变换着色彩，更有光束在脑区之间咻咻咻地飞过。有趣的是，Mickey敲打的节奏及音符影像，与大脑模型的色彩及光束变换有着美妙共鸣。节奏从柔和缓慢转为激动亢奋时，大脑活动也变得风起云涌。
Glass Brain。强烈推荐读者到Glass Brain官网观看影片[1]
细看大脑云，可将其分为静态结构和动态活动两部分。静态结构包含半透明的大脑模型及金黄色的纤维束，这是根据Mickey的大脑核磁共振影像 (Magnetic Resonance Imaging, MRI) 所建构出来。MRI在医院已成为基本配备，因为它提供高分辨率大脑3D影像，并能区分出不同大脑组织例如灰质和白质，半透明的大脑模型即由此而来。至于金黄色的纤维束，则是利用新的MRI技术称为扩散磁振造影(Diffusion Tensor Imaging, DTI) [4]，它能重建大脑神经纤维束(Axon Bundle)的走向，代表脑区之间的神经连结。
动态活动从何而来？原来就是现场取得Mickey的实时脑波(EEG)讯号。不过脑波是在头皮表面量到的讯号，要如何变成大脑内部之间的讯息传递呢？这分为两个步骤。第一步是定位讯号源 (source localization)。这方法基于一个假设：脑波讯号是由大脑内部讯号源（一群排列一致且同步活化的神经元细胞）的电活动，经由脑组织、头盖骨传递到头皮所测得的混合讯号。根据此假设，便可反过来从测得的混和讯号以及对大脑结构的了解，推算出讯号源位置及活动。就像骑车经过棒球场听到混合了拉拉队、乐队、广播、观众的声音，绕着球场骑了一圈发现在某个路口听到拉拉队的声音最大，我们便能合理推算（根据对球场座位的了解），拉拉队站在什么位子。这也是为什么需要在头上摆满电极了。大脑云的动态云彩，就反映了该脑区讯号源的活动，颜色代表该活动的频率（例如红色是8-12Hz，称为alpha波的讯号特征），强弱则反映该活动的振幅。
第二步是计算讯号源之间的讯息传递 (source connectivity) [5]。举例来说，若A讯号源在时间零点出现了某种讯号特征（根据讯号的统计性质计算），而这像指纹一样的特征在隔了不到一秒的延迟之后于B讯号源被发现。我们便推测A讯号源在这段时间内「传递讯息」到B讯号源。反映在大脑云的模型，就是沿着脑区间纤维束咻咻咻飞来飞去的光束。若想更了解技术细节，请参考Glass Brain官网 [1]。
结合科学与科技的Glass Brain立下了几个重要里程碑。第一，结合高空间分辨率的MRI影像与高时间分辨率的EEG讯号，以直觉且创意的视觉效果呈现大脑动态影像。第二，从以往只分析各电极的讯号(channel-level)，推向看整体电极的讯号分布进而分析脑内源讯号的讯息传递(source-level)。第三，展示实时处理与分析大量脑波数据并实时呈现结果的可能性。
当然，Glass Brain仍存在许多问题，例如源讯号假设不一定正确，定位源讯号及计算讯息传递方法也存在误差。但最重要的还是它无法解决现今神经科学界的大难题：我们仍无法解读出Mickey的大脑中复杂的思维与情绪。Glass Brain的云彩和光束只是描绘大脑的活动。
不过这项实时分析与呈现大脑活动的技术，让我们能亲眼看见自己的脑讯号，很可能在未来应用在大脑问题的检测与治疗。例如许多脑伤病人(脑震荡)，大脑结构并无变化但功能出现异常，传统的计算机断层及核磁共振造影难以检测，此时像Glass Brain的功能性造影技术就可能派上用场。另外，脑疾病例如忧郁症患者，藉由实时观察及侦测自己的脑波，可客观了解自己的大脑状态并学会改变及控制，达到治疗效果。当然，这项技术也受到许多电动及虚拟实境的玩家的喜爱。就像Mickey Hart玩着音乐的时候看见自己的脑波随之律动。想象虚拟实境里的场景、剧情、音乐会随着自己的情绪或思维转变，更添加了一分真实感。不过这样的未来，究竟什么时候会来到？且让我们继续关注下去。
参考数据：
[1] Glass Brain官网介绍
[2] Mainly Mozart 2014的报导:This is your brain on rhythm
[3] Mullen, T., Kothe, C., Chi, Y. M., Ojeda, A., Kerth, T., Makeig, S., ... & Jung, T. P. Real-time modeling and 3D visualization of source dynamics and connectivity using wearable EEG.In Conference proceedings: Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, 2013.
[4] Alexander, A. L., Lee, J. E., Lazar, M., & Field, A. S. Diffusion Tensor Imaging of the Brain.Neurotherapeutics : The Journal of the American Society for Experimental NeuroTherapeutics, 4(3), 316–329, 2007
[5] Mullen, T, Delorme, A, Kothe, C, Makeig, S "An Electrophysiological Information Flow Toolbox for EEGLAB"Society for Neuroscience Conference, San Diego, CA, USA, 2010
www.psychspace.com心理学空间网作者：徐圣修 攻读美国加州圣地亚哥分校生物工程博士班，现为科教中心特约写手，从事科普文章写作。
