大规模类脑神经网络理论与方法

脑启发的脉冲神经网络被称为第三代人工神经网络,通过模拟神经动力学、事件驱动等计算特性捕捉时序信息和节能高效地进行计算,为人工智能领域的发展提供了新范式.大脑惊人的信息处理能力很大程度上归功于其庞大的网络规模和复杂的网络连接.构建大规模类脑神经网络为脑启发式的人工智能、神经形态计算以及多应用领域带来了突破性的进展.本文首先根据现有的研究,分类介绍了脉冲神经元模型、大规模脉冲神经网络模型与算法、深度训练框架和神经形态芯片等3个方面的计算原理和最新的研究进展,指出了目前大规模类脑神经网络研究的进展和存在的问题,随后重点论述了大规模类脑网络的神经形态视觉应用,包括神经形态视觉重构、极端场景目标检测等.最后,在总结已有研究成果的基础上,对该领域的研究现状给出了若干结论,同时指出了仍然存在的一些问题,并对未来研究的需求、期待与发展趋势进行了展望.     

神经形态器件研究进展与未来趋势

大数据时代的信息爆炸、摩尔定律的逐渐减缓和"万物互联"的最终愿景使得发展高性能的非传统计算迫在眉睫. 21世纪以来,神经形态计算以高度的并行、极低的功耗和存算一体的特征受到了广泛的关注.其中,具有独特物理机制的神经形态器件是神经形态计算硬件的基本组成单元,对新型非冯·诺依曼架构芯片的研发乃至类脑智能的最终实现都具有重要意义.本文重点介绍了神经形态器件的研究进展和未来研发的趋势.研究低功耗的神经形态器件与集成方法,提高突触器件的线性度、对称性和开关比以及从动力学角度模拟生物启发的神经系统是该领域的研究热点.     

人脑连接组研究:脑结构网络和脑功能网络

人脑是自然界中最复杂的系统之一,在这个系统中,多个神经元、神经元集群或者多个脑区相互连接成庞杂的结构网络,并通过相互作用完成脑的各种功能.近年来,结合基于图论的复杂网络理论,研究者们发现利用结构和扩散磁共振成像数据构建的脑结构网络以及利用脑电图/脑磁图数据和功能磁共振成像数据构建的脑功能网络具有很多重要的拓扑性质,如"小世界"属性、模块化的组织结构以及主要分布在联合皮层上的核心脑区(如楔前叶、额上回、额中回).另一方面,研究者发现许多神经精神疾病(如阿尔兹海默病和精神分裂症等)与脑结构和脑功能网络的异常的拓扑变化有关,这些研究不仅为理解神经精神疾病的病理机制提供了新视角,也可能为疾病的早期诊断和治疗评价提供脑网络影像学标记.本文以人脑结构和功能连接网络的研究为重点,介绍了人脑连接组和复杂网络理论的基本概念,并且回顾了近年来人脑结构和功能连接组的研究成果,并指出了该领域中存在的问题及未来的研究方向.     

无创式脑调制的神经效应研究进展

无创式脑调制(noninvasive brain modulation,NBM)技术是基于电磁感应原理,采用电场或磁场以非侵入的方式刺激中枢神经系统(central nervous system,CNS),进而改善脑功能.现在,它不仅是诊断和治疗神经精神疾病(neuropsychiatric disorders)的一个有效手段,同时也是研究脑生理和脑功能的常用工具,此外在探索认知、情感、记忆和语言等方面也有着巨大的应用价值.虽然,NBM技术在认知神经科学、神经生理学及神经精神病学等各个领域被广泛成功的应用,但是它对脑功能和CNS的调节机制目前还不清楚,这严重地限制了该类技术的进一步应用以及研发.NBM技术作用的共同规律是通过在脑组织周围产生感应电场来调节相应脑区的神经活动.因此,明确不同电场作用下神经元放电活动的演化规律以及相应的发生机制是揭示NBM技术神经调节机制的关键.本文首先介绍了NBM在神经科学中的应用现状,然后对近年来有关电场神经调节效应的研究成果进行了综述,包括电生理实验和计算模型仿真,最后对未来的研究方向进行了展望.     

兴奋性突触活动通过内源大麻受体调节抑制性突触传递

<正>大脑功能的正常行使是建立在其神经环路电活动稳态基础上的.当环路电活动受到扰动时,神经环路其他组件,包括突触信息传递、神经元兴奋性和形态结构等也相应地发生改变,从而重建新稳态或恢复正常活动水平.这种环路活动自我调节机制称之     

螽斯听觉上行神经元AN2的声反应特征及其在脑中投射

听觉信息加工的神经机理是听觉研究的一项重要课题。Katsuki和Suga首先证实螽斯前胸神经节内的T形大纤维与听觉有关。Rheinlaender(1975)用微电极技术对螽斯听通路的感受器、腹神经索和脑进行了较全面的生理学研究,总结了听觉信息加工的一些特点。新近的工作应用胞内记录与染料标记相结合的方法对螽斯前胸神经节内三对听觉中间神经元,即Ω神经元、上行神经元(AN)与T形神经元(TN)的结构和功能作了较详细的探索。本文在上述工作的基础上对螽斯听觉上行神经元(AN2)的声反应特征及其在脑中投射进行了研究,分析了其对听觉信息加工的特点和作用。     

人脑形态网络及其在脑发育研究中的应用

人脑是一个极其复杂的系统,数以万亿的神经元通过突触构成了庞大的连接网络,如何系统而全面地刻画大脑内部的组织模式一直是神经科学家致力解决的热点问题.随着非侵入神经成像技术的兴起,基于磁共振成像的脑网络研究为揭示人脑的复杂结构提供了新的契机.其中,脑形态网络因其图像易获得、质量稳定和分析方法简单等优势引发了研究者的广泛关注.传统的脑形态网络是利用一组受试者的某种形态学指标构建的被试间协方差网络,只能反映大脑形态的群组特征.个体水平脑形态网络则针对个体大脑刻画脑区间的形态相似性,保留了个体的形态信息.多指标甚至多模态数据的应用,进一步整合多种互补的结构信息,能够综合表征皮层形态的拓扑连接模式.近年来,脑形态网络在探究人类大脑发育进程方面体现了重要价值.研究发现,胎儿时期形态网络从高度模块化的原始状态开始逐渐整合,至出生时已形成小世界拓扑,出生后至童年早期网络变得分离,童年晚期至青春期又逐渐整合,初级网络率先达到成熟而高级网络长期持续发育.这些结论为理解大脑认知功能的形成和发育障碍的起源提供了重要的理论支撑.本文介绍了两种脑形态网络的构建方法和图论模型的基本概念,回顾了脑形态网络在胎儿、婴儿、...     

GAP-43mRNA在正常成年大鼠中枢神经系统中的分布

生长相关蛋白质(growth associated protein,GAP-43)作为神经元发育、神经生长、再生、突触形成和重建的标志蛋白质,在神经生长和发育区表达非常丰富.尽管中枢神经系统发育成熟后GAP-43及其mRNA总体含量会骤然下降,但是在某些轴突生长不再发生的脑区,仍有一定量的GAP-43及其mRNA存在.用免疫细胞化学法已经阐明了GAP-43在成熟脑和发育脑中的分布,但合成GAP-43的神经元需要以原位核酸杂交手段检测mRNA来确认其部位.     

非鸣禽成体环鸽脑中的新生神经元

自1983年Goldman等在世界上首次报道鸣禽成体脑中的新生神经元现象后,对新生神经元在鸣禽成体脑中产生、迁移和分化机理的研究已经取得了很大进展.许多人推测金丝雀等鸣禽脑中新生神经元的产生与它们对鸣啭学习和记忆功能有关.目前世界上对鸟类神经元产生的研究基本局限于鸣禽类,还未见在非鸣禽成体脑中有神经元产生的正式报道.由于新生神经元在鸣禽脑中的分布并不局限在控制发声的神经核内,它表明鸣禽成体脑中神经元的产生可能具有更为复杂的功能,因而神经元产生的现象也可能在非鸣禽成体脑中存在.为检验这种推想,本实验选用端脑中无明显控制发声神经核的非鸣禽环鸽(Streptopeliarisoria),应用放射自显影/免疫组织化学双重标记方法证明新生神经元在非鸣禽成体脑中的存在及分布特征.     

大脑网络的探索进程（一）——研究特点、方法与三大类型*

脑网络是复杂的生命系统中一个最典型的复杂网络,是一类“网络的网络”。目前可从三个层次对大脑网络进行建模探索,即微观尺度(神经元)、中尺度(神经集群)、大尺度(脑区域),各层次之间相互影响、错综复杂,研究难度很大。笔者从网络科学观来评述大脑网络的探索进程、研究方法和主要类型。     

中缝背核5-羟色胺能神经元与阿片受体关系的形态研究

许多资料表明,中缝背核是5-羟色胺(5-HT)能神经元大量存在的部位,同时也是阿片受体比较密集的区域,由此处发出的5-HT能纤维上行到达间脑和端脑的若干核团。中缝背核在脑内镇痛系统中占有重要地位:电刺激中缝背核能产生明显的镇痛作用,中脑导水管周围灰质(PAG)内注入微量吗啡引起的镇痛很可能是通过激活中缝背核的5-HT能神经元而发挥作用的。由于5-HT能神经元和阿片受体的形态定位关系尚不清楚,吗啡激活5-HT能神经元的形态机制一直没有阐明。本工作应用免疫细胞化学与阿片受体放射自显影双重显示技术,对中缝5-HT能神经元与阿片受体的形态定位关系进行了研究。     

人及猪脑源性神经营养因子基因克隆

脑源性神经营养因子(Brain-derived neurotrophic factor,BDNF)主要是在中枢神经系统内合成的小分子量碱性蛋白质,由119个氨基酸组成.研究发现BDNF对神经系统的多种神经元均有效应,在体与离体观察证明,它可维持与促进外周神经嵴和基板来源的多种感觉神经元的发育、生长与分化,对中枢神经系统的基底前脑胆碱能神经元、GABA能神经元、中脑黑质多巴胺能神经元具有营养作用.研究还发现BDNF与神经生长因子(NGF)同属一个基因家族,二者在生物效应上有许多类似之处,但其作用的神经元特异性又有所不同.     

大脑皮层神经元放射状迁移的导向机制新发现

神经系统由规则的细胞群落和精细的神经回路组成,这些精巧的构造对于脑的各项高级功能是至关重要的.作为神经系统高级中枢的大脑皮层长期以来都是研究脑结构发育机理的重要模式系统.大脑皮层的神经元排列成典型的板层结构,这种板层结构是通过发育过程中神经元的放射状迁移实现的,即新生神经元在脑室壁产生之后,沿着     

侵入式脑神经信号监测与调控技术研究进展

脑科学研究是当今自然科学面临的一项重要挑战.大脑是人体的神经枢纽,控制着人体的各项生理活动.脑神经信号监测与调控技术能够建立大脑与外部设备之间的信息连接通路,从而实现对大脑中信息的读取以及对脑活动的控制,因此在疾病诊疗、军事、教育、娱乐等领域具有广阔的发展和应用前景.尽管目前脑神经信号监测与调控技术已经取得一定成果,但对于侵入式脑信号监测与调控技术的研究仍处于起步阶段.本文简要介绍脑神经信号监测与调控技术的基本原理,从信号获取、调控手段和电极制备等关键技术角度阐述侵入式脑信号监测与调控技术的国内外研究现状,讨论其面临的信号质量、调控准确性和生物安全等方面的挑战.最后,展望该技术在脑机接口等前沿领域中的应用前景.     

基于DMSP/OLS夜间灯光数据和统计数据的中国大陆20世纪90年代城市化空间过程重建研究

中国大陆目前以行政单元为基础的城镇用地面积统计数据缺乏足够的空间信息, 难以满足大尺度城市化空间格局和变化过程研究的需要. 文中首先提出了一种以现有统计数据为基础, 借助DMSP/OLS夜间灯光遥感数据, 快速恢复和提取中国大陆城镇用地空间信息, 弥补现有统计资料不足的新方法. 进而以该方法为基础, 利用 1992, 1996和1998年的3期DMSP/OLS夜间灯光数据, 重建了中国大陆20世纪90年代的城市化空间过程. 利用统计数据对该方法提取结果的面积总量评估表明, 二者在全中国大陆尺度上的面积相对误差在1992年小于2%, 1996年和1998年则均小于1%, 在省级尺度, 相对误差最大的省份也没有超过10%, 大部分省份的相对误差小于3%. 同时利用高分辨率Landsat TM数据对该方法提取结果的城市空间格局特征分析也表明, 利用DMSP/OLS 提取的城市格局特征与Landsat TM提取的城市格局特征基本上是吻合的, 两者的相似程度在80%左右. 这说明利用该方法重建的中国大陆20世纪90年代城市空间过程, 基本上可以反映当时中国大陆城市发展的实际状况, 具有一定的可信性, 可以在一定程度上为中国大陆宏观城市空间格局和变化过程研究提供帮助.     

面向fMRI数据的人脑功能划分

人脑是目前人类发现的最复杂和最具智能的功能组织系统之一.数以万计的神经元相互连接形成了复杂的脑结构,并通过相互间的作用表现出多样的智能活动.脑功能研究是脑科学研究中最重要的内容之一,尤其是功能磁共振成像(f MRI)技术的出现,为人脑功能的研究带来了新的发展机遇.近年来,开始利用基于f MRI数据的计算方法对人脑进行功能的划分,已有研究表明,功能划分所产生的人脑功能子区域比结构图谱中的脑区具有更高的功能一致性,因此更适合用于人脑的功能分析.进一步讲,把人脑功能划分产生的功能子区域用于人脑功能网络的构建能够获得更具可解释性的人脑功能网络,能为人脑疾病机理的研究和探索提供新的手段.本文以f MRI数据为基础,首先,介绍了f MRI数据采集、人脑功能划分及其基本流程;其次,给出了一种人脑功能划分方法的分类体系,并详细阐述了其中主要的人脑功能划分算法;再次,梳理了人脑功能划分中常用的相似性度量和评价指标;最后,总结了人脑功能划分的应用,并深入地分析了人脑功能划分中存在的挑战及未来的研究方向,以期对相关研究提供有益的参考.     

一种适用于活动动物的慢性微电极装置

慢性微电极技术是近年来发展起来的用于神经生理学研究的新方法。这一技术由于免除了急性微电极实验所采取的麻醉、肌肉麻痹、人工呼吸等处理,在接近正常生理的条件下,记录清醒活动动物中枢神经系统神经元的单位放电,因而显示出很大的优点。自从Jasper首先成功地应用该技术进行脑的实验研究以来,慢性微电极技术作为神经生理学的重要研究手段,广     

“仿真脑”能为我们做什么?

<正>人脑那自傲、强大而又神秘无比的信息处理功能一直令人痴迷。就在最近半年里,"造脑行动"又有了新的进展:IBM和Qualcomm两大巨头先后发布了基于神经拟态技术的"脑芯片"。IBM的Sy NAPSE芯片号称模拟了一百万个神经元细胞和超过两亿个神经突触连接,初具人工大脑的规模。Qualcomm公司4月公布的Zeroth芯片也在硅片上高效地模拟了脑神经元,装载了该芯片的机器小车还能运用"受到人脑启发的算法"完成寻路、躲避障碍等任务。不过,仿真脑的时代真的要来临了吗?其实我们不止存在着技术上的巨大困难,连制造仿真脑的目标也是一个值得思考的问题。     

一门新兴的交叉学科--神经信息学

神经信息学是新近出现的一门新兴的交叉学科 ,它正在随着人类脑计划的实施而快速发展 .本文介绍了神经信息学的由来及其与人类脑计划的关系 ,分析了促使其发展的当代条件、神经数据的特点及其对信息科学技术提出的新要求 ,还介绍了神经信息学的研究项目实例 ,探讨了它的发展所带来的机遇和挑战 .     

中华宽体金线蛭AP神经元的标记电突触连接

水蛭属环节动物,其中枢神经系统为链式,各神经节的内部结构基本相同,神经元可被标定.用胞内注射辣根过氧化物酶(HRP)方法曾对欧洲医蛭(Hirudo medicinalis)的标定机械感觉神经元和运动神经元形态及其化学突触进行研究.然而,对水蛭电突触超微结构的系统研究较罕见.迄今,未见有对标定神经元标记电突触参数测定的报道.水蛭AP(Ante-rior pagoda)神经元是有待确定功能的细胞.在幼体医蛭20个体神经节中,每节的一对前宝塔细胞的轴突分枝到对侧,并通过前.后神经根进入外周,相邻神经节之间的AP细胞相互相连.本实验室证实成体中华宽体金线蛭(Whitmania pigra)在第1至第20体神经节中两侧AP细胞的轴突都分枝到对侧,并且对称;在相邻神经节之间的神经索中无AP神经轴突连接.AP细胞接受来自机械感觉神经元的输入.其间电突触具有分辨机械感受神经元感受野部位的知觉性功能.因此,显示AP知觉性神经元的标记突触形态,并测定其超微结构参数非