在人类中,识别和理解面部表情是社交互动中的重要因素。人类通过不断的面部表情向同伴表达情绪和情感,如悲伤的面孔更容易寻求安慰。

  许多研究者试图弄清楚其它动物情感表达相关的面部表情。但是,之前用来识别动物面部情绪表情的方法有限,需要人工计分且过程漫长,还存在着人为因素的偏差。在人类中,情感的主观成分可以通过自我评估和口头表达来衡量。在动物中,主观性只能通过间接测量来估计。

Science:小鼠情绪状态的面部表情及其与神经元的关系

  2020年4月3日,马克斯-普朗克神经生物学研究所在顶尖学术期刊Science发表了一篇题目为《Facial expressions of emotion states and their neuronal correlates in mice》的研究论文。

  研究发现,与人类相似,当小鼠尝到了甜味或苦味,或变得痛苦焦虑时,会表现出完全不同的面部表情,通过机器学习算法以及光遗传学操作,可以确定小鼠不同类别面部表情与情绪状态及其神经元相关性。同天,Science杂志对这项研究发表了题为《Revealing animal emotions》的观点文章。

Science:小鼠情绪状态的面部表情及其与神经元的关系

  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,但是我们目前仍不能准确地将小鼠表情与特定的情绪相关联。

  在这项研究中,研究者为了研究小鼠的面部表情,对小鼠施予多种的感觉刺激以触发小鼠情绪变化,例如,给予甜味(蔗糖)或苦味(奎宁)的液体以激发小鼠的愉悦或厌恶感;对小鼠尾巴进行电击以造成痛苦,给小鼠注射氯化锂以引起不适。

  当小鼠对不同的刺激做出反应时,研究者将小鼠面部肌肉的运动通过视频记录分解为超短快照来可靠地捕获和分析面部运动。

Science:小鼠情绪状态的面部表情及其与神经元的关系

  当增加电击强度或蔗糖或奎宁溶液的浓度时,小鼠表达情绪的强度也会显着增加。

  人工智能精确解读小鼠面部表情

       研究人员通过创建一种人工智能无监督学习算法,将小鼠的面部表情精确分类为不同的情感事件。研究表明:小鼠面部表情的变化不是反射性反应,而是反映了情绪的某些属性。

  通过t-SNE算法,研究者观察到在小鼠不同的情绪类型可以清晰地分成了离散的簇,这说明小鼠面部表情是特定于某种情绪的。研究者接下来训练了一个基于随机森林分类的解码程序,可以预测小鼠表达的情感,其准确率大于90%。

Science:小鼠情绪状态的面部表情及其与神经元的关系

  啮齿动物对低浓度盐溶液具有食欲,但在高浓度下则具有厌恶作用。研究者发现,低浓度盐溶液引起小鼠的面部表情与愉悦原型(蔗糖溶液)面部表情高度相似,而与厌恶原型(奎宁溶液)的相似度较弱,而高盐浓度则相反。

  因此,小鼠的面部表情与刺激不存在绝对的关联,在不同的感官体验之间存在泛化。蔗糖和低浓度盐溶液均引起愉悦的表达,而奎宁和高浓度盐溶液均引起厌恶。

  情绪反映集成个体的外部和内部信息,是灵活变化的。当小鼠在口渴或非口渴状态下饮用浓度相同的蔗糖溶液或水时,口渴状态下两种液体均会引起小鼠更强烈的愉悦面部表情。

  盐溶液引发的情绪,如何取决于其浓度。学习会以类似的方式影响小鼠面部表情吗?

  作者将小鼠暴露于蔗糖溶液中,然后向它们注射引起不适的氯化锂,以诱导条件性味觉厌恶(CTA)。在进行CTA学习之前,蔗糖会带来愉悦感,但不会令小鼠反感。CTA学习后,小鼠表现出对蔗糖的厌恶表情,因此它们的表情变化反映了对蔗糖主观价值的变化。

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  刺激大脑能唤起小鼠特定情感

       识别小鼠面部表情的可能为研究岛叶皮层功能神经元机制提供一种新的角度。研究者进一步用光遗传学技术测量单个神经元的活动,并同时记录小鼠的情绪面部表情。

  不出所料,岛叶皮层的单个神经元反应与小鼠的面部表情强度相同,发生时间也完全相同。此外,每种神经元只与一种情绪有关联。岛叶皮层或脑岛是大脑皮层的一部分,对表现感觉和情绪很重要。通过整合来自身体和环境内部的信号,边缘皮层可以激发特定体验的情感。

Science:小鼠情绪状态的面部表情及其与神经元的关系

  最后,研究者使用双光子钙成像技术发现,尽管神经元会对多种刺激产生响应,但是产生小鼠不同情绪反应神经元是几乎是特定的。

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  结 语

  作者的研究表明,小鼠面部表情可以分为不同的基本类别,通过设定好的程序,我们就能读懂小鼠的心情。

  未来研究的一个重要问题可能是。相对简单的HOG特征描述可能成为研究其他实验动物(如大鼠、狐猴和猴子)的面部表情或姿势表情的有用补充。HOG还可能有助于识别未知的,特定于物种的情绪状态,并有助于加深跨物种的情绪及其神经基础的理解。

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