超级计算机复制人类大脑——记神经学家亨利·马克拉姆团队的人脑工程构想

马克拉姆团队意欲在2018年之前开发出具有意识和智慧的人造大脑●神经学家亨利·马克拉姆坚称,如果神经科学能按他设计的方向发展,他的"人脑计划"可以模拟人类大脑全部860亿个神经元,以及将这些神经元连接起来的100万亿个神经突触的功能,届时可建成一个"即插即用"的大脑:可以把它拆分找出脑部疾病的原因,也可以结合机器人技术开发一系列全新的人工智能技术,甚至还可以戴上一副虚拟现实眼镜以体验"另类大脑"的神奇。     

脑胶质细胞:另一种大脑作图方式

<正>在推进人脑研究的进程中,美国神经学家R·道格拉斯·菲尔兹(R.Douglas Fieids)认为:作为大脑组成部分的非神经元细胞——脑胶质细胞——一定不能被雄心勃勃的人脑研究计划拒之门外。自从奥巴马总统宣布"使用先进神经技术的人脑研究计划(BRAIN)"以来,即寻求对实验动物整     

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.     

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.     

皮层体感Ⅰ区躯体伤害感受神经元与非伤害感受神经元的形态学特征

应用细胞内记录及标记技术,从神经元水平探讨大脑皮层在伤害感受及其调制中的作用。强电脉冲刺激隐神经模拟躯体痛,观察了猫皮层体感Ⅰ区６５４个伤害受神经元对刺激隐神经的诱发反应后,对３０个（伤害及非伤害）神经元电泳Ｎｅｕｒｏｂｉｏｔｉｎ进行胞内标记,以显示神经元在皮层内的分布及形态特点。Ｎｅｕｒｏｂｉｏｔｉｎ标记细胞图象三维重建表明,电生理机能不同的伤害感受神经元与非伤害感受神经元在形态特征方面也存在着     

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.     

动态点击

正神经元规模最大类脑计算机问世近期,浙江大学联合之江实验室在杭州发布了一款包含1.2亿脉冲神经元、近千亿神经突触的类脑计算机。该计算机使用了792颗由浙江大学研制的达尔文2代类脑芯片,神经元数量规模相当于小鼠大脑。据介绍,类脑计算机是用硬件及软件模拟大脑神经网络的结构与运行机制所构造的一种全新的人工智能系统。本次成果是将792颗我国自主知识产权的达尔文2代类脑计算芯片集成在3台1.6米高的标准服务器机箱中,形成一台机架式类脑计算机。     

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。     

脑功能理论的当代发展和前沿研究计划

21世纪以来,研究人员逐渐揭示出人脑前额叶特别是内侧前额叶的认知功能,脑内的社会镜像神经元系统以及默认网络.这些发现,扩展了20世纪关于经典特异神经通路和网状非特异系统的概念,认识到人脑含有4类机能解剖系统.除了并行协同工作的特异系统和网状系统外,人脑还有以180°相位差交替转换式活动的默认网络和社会认知网络.在所概括的4条神经信息处理机制中,由于自然脑进化的遗传保守性,人脑和动物脑共性大,而与电脑间存在本质差异.人脑功能的独特性体现为社会属性和生物属性高度融合的巨复杂性、四层次性及其包容性.本文简要介绍了脑连接组计划、脑活动图计划和中国脑计划,希望能引起人们关注人脑、动物脑和电脑的共性和本质差异,以便更正确地对待脑科学和人工智能领域的研究成果.     

未来电脑"世家"新成员

能“移植”的电脑将人脑和电脑合二为一,一直是科学家所追求的梦想。这种技术的原理是:将芯片安装在人脑壳底部神经中枢之外,神经束通过芯片与人脑发生联系,人脑所产生的每一次思维,都会在大脑的500多亿个神经细胞中留下电子活动轨迹,而这些轨迹又都会在电脑芯片上反映出来,从而形成人的思维与物质世界之间信息交流的“通道”。可“穿戴”的电脑所谓可穿戴式电脑(WEC),通常包括一条特制的腰带或背心(电脑主要运算部件夹层)、无线语音处理器、供电系统和头盔式液晶显示器等,与人的身体自然地融合在一起。从功能上讲,它具有全语音操作和实时…     

大脑的10个未解之谜(下)

关于"人类如何思考"这个问题,目前我们知道了多少,还有哪些未知?6.何谓智能?智能有许多不同的外在表现形式,但无论那种形式我们都不知道智能在生物学上意味着什么。数十亿个神经元如何调度知识、模拟新场景,或是删除不合逻辑的信息?当两个概念彼此相匹配而此时又突然找到了问题的解答时,将会发生什么?当看电影时,     

神经计算机

作为第五代计算机的神经计算机,其历史可以上溯到第二次世界大战中,美国数学家提出的神经细胞模型理论。近年来,随着神经电路网络模型、反馈方法之一的逆传递学习法及网膜细胞的大规模集成电路理论的相继出现,已使超级神经计算机的诞生为期不远了。神经计算机突破了现有四代计算机的界限,它具有并行处理、模糊逻辑、智能学习等独特功能。神经计算机的工作原理类似人脑,人脑由100—150亿个神经细胞组成,而每个神经细胞又和数千到数万个神经元和神经键相结合,神经计算机正是利用这种与人脑非常相似的神经网     

本期专题简介

<正>2013年春季,欧盟和美国分别启动耗资巨大的脑研究计划——欧盟的"人脑计划"和美国的"推进创新神经技术脑研究计划",引起全球各国政府和科学家的关注。这同样也引起了中国广大科学家和科学爱好者们的关注。为此我刊特组织了《脑科学》的专栏,比较系统地介绍了脑科学中有关心智游移、意识、视觉,以及脑科学与信息科学的交叉领域等的研究进展。     

第四脑室底尾侧部NT-LI神经成分的光镜和电镜免疫细胞化学观察

近年来的研究表明,脑脊液与脑组织之间存在着交流信息的途径,即神经-体液回路,其中接触脑脊液神经元构成了这个途径的重要组成部分。已有研究报道接触脑脊液神经元可含有CCK,OXT等生物活性肽。本研究发现大鼠第四脑室底尾侧部室管膜内及周围含有神经降压肽(NT)样免疫反应(NT-LI)神经元胞体、纤维和终末,这为脑-脑脊液神经体液回路提供了新的形态学资料。     

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.     

神奇芯片:瘫痪者的希望

<正>长久以来,在人脑中植入芯片使之变成超人的场景在科幻电影里时有出现。现在,"脑机界面"成了科技界的新热点,相信未来电影里看似不可思议的情节也会逐渐变成现实。"脑机界面"系统提供了一个脑部和电脑直接沟通的管道,科学家预测这项科技有可能减少神经损伤导致的肢体不便,并重新唤醒患者瘫痪的肌肉。     

“奔腾”系列CPU漫谈

美国英特尔公司的奔腾系列 CPU(中央处理器)芯片作为电脑的"心脏",在 CPU 市场上占据着主导地位。"PENT/UM INSIDE"的标志作为质量和速度的保证,出现在 IBM、HP、联想、海信、浪潮等各种名牌电脑上,许多兼容机厂家也纷纷采用英特尔公司的"奔腾"芯片来装点门面。"奔腾"家族可以说是人丁兴旺,到去年10月为止共生产了四大系列十多种类型的芯片("奔腾"芯片是按系列和时钟频率两个参数来分类的)。奔腾的四大系列分别为基础系列、高能系列、多能系列和第二代奔腾系列。最早出品的"奔腾"芯片有奔腾基础系列的60MHz、75MHz 和90MHz 型产品。在一开始的奔腾芯片中存在着浮点计算上的错误,但以后的芯片都进行了改进。随着各类技术的逐步成熟,英特尔又推出了100MHz、120MHz、133MHz、150MHz 和166MHz 等各     

从蓝脑计划到人脑计划:欧盟脑研究计划评介

正最近欧盟和美国分别启动和准备启动耗资巨大的两个脑研究计划——"人脑计划"和"尖端创新神经技术脑研究计划"。本文介绍欧盟人脑计划的背景、目标、内容及方法,也介绍学术界对此的见解和争议。关于脑和心智的研究已成为对当代科学最大的挑战之一。2000年,诺贝尔生理学或医学奖得主埃德尔曼(Gerald M.Edelman)说:"脑科学的知识将奠定即将到来新时代之基础。凭这些知识我们可医治大量疾病,建造模仿脑功能的新机器,而且更深入地理解我们自己的本质以及我们如何认识世界。""心智的生物学研究在21世纪的地位,正相当于基因研究在20世纪的地位,这已成为当前科学界的共识。"2013年春季,欧盟和美国分别启动和准备启动耗     

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.     

大脑皮层内脏伤害感受与非伤害感受神经元膜电学特性比较

为了从神经元水平探讨大脑皮层内脏伤害性感受的特性及机制，应用细胞内电位记录技术，研究猫皮层体感区中内脏大神经皮层代表区的８５１个神经元膜电生理特性，将所记录的神经元分为内脏伤害性感受和非伤害感受神经元。