面向具身智能的网格细胞群表征空间认知方法

与基于结构化场景建模的传统导航算法不同,哺乳动物通过内嗅皮层和海马体中多种神经细胞的分工协作构建认知地图,实现了适用于非结构化场景且具有强鲁棒性、泛化性的导航.随着认知神经科学、人工智能等领域的发展,类脑导航在近年来受到了广泛的关注,成为实现“具身智能”中机器人环境认知与导航功能的可行方案.本文结合大脑空间认知机理以及同时定位与地图构建算法,提出了一种基于网格细胞群表征模型的移动机器人认知地图构建系统.在该系统中,网格细胞模型与位置细胞模型协同配合完成了位置表征、路径积分的功能.基于公开真实数据集的实验,验证了该系统在认知地图构建任务中的有效性与网格细胞群表征模型的度量特性.此外,这种脑启发式的认知地图构建系统为进一步揭示人脑的空间认知机理提供了有效的实验环境.     

词汇阅读中情绪调节的神经机制

基于已有的阅读模型和近年来在该领域的研究, 初步提出了一个整合了情绪调节作用的词汇阅读模型. 模型包含4个基本假设, 即优势激活区假设、情绪调节假设、注意水平假设和交互作用假设. 模型的现有实验证据来自4个方面: (ⅰ) 阅读的认知神经机制研究(即关于阅读的神经网络的研究); (ⅱ) 情绪对词汇阅读影响的研究; (ⅲ) 注意的两种水平对词汇阅读影响的研究; (ⅳ) 不同注意水平下阅读的情绪调节作用. 上述假设为今后的系统化研究指明了方向, 也是建立更加具体、精细的词汇阅读模型的重要基础.     

为注意机制提供有效输入的模拟初级视皮层的编码模型

当前的研究普遍认为初级视皮层神经元编码了自底向上的显著图,从而为选择性注意机制从复杂的场景中迅速分辨出显著目标提供了有效的输入.然而,对初级视皮层编码方式如何影响注意模型的显著性检测能力仍不清楚.为此,探讨了有利于自底向上的注意机制的信息处理的编码方式.构造了满足神经生物学约束的模拟初级视皮层的编码模型,通过改变编码模型的约束条件,在认知心理学的实验图像和自然图像集上进行测试,比较不同编码方式对注意模型的显著性检测的影响.几类实验的统计结果表明:对不变特征的编码和超完备基的表征更有利于自底向上的注意机制的显著性检测.     

全球构造的反对称性及其动力学意义

空间位置与几何形态的对称性,是宇宙中普遍存在的基本特征,它是决定物体静态稳定与动态平衡的重要条件,也是控制自然界相互作用的重要因素.物理学中的守恒定律经常是某种基本对称性的结果,反物质概念的提出也是从对称性出发的地球作为在宇宙中旋转运动的一颗行星,总体上是一个几何对称的椭球体.然而它的全球构造特征却具有一种特殊形式的对称性一反对称性,其含义是全球尺度区域的构造在空间位     

稳态视觉诱发电位及其在视觉选择性注意研究中的应用

以固定频率发生周期性变化的视觉刺激信号进入大脑后,将会诱发一系列与之频率相同的周期性脑电位,这个电位叫做稳态视觉诱发电位(steady-state visual evoked potentials, SSVEP). SSVEP广泛应用于脑机接口和人类认知研究中.相同频率下, SSVEP的振幅高低与视觉注意资源分配具有相关性,因此在视觉选择性注意研究中常常使用SSVEP作为表征注意分配的电生理指标.以SSVEP为指标进行视觉选择性注意研究时,主要的应用手段是频率标记.频率标记是指让被标记刺激发生特定频率的周期性变化,从而诱发与之频率相同的SSVEP,并以每个刺激诱发的SSVEP的振幅作为注意资源分配水平的指标.根据研究目的不同,在频率标记的基础上进一步发展出了快速周期性视觉刺激范式和随机运动点阵范式用于视觉注意的研究.视觉选择性注意中, SSVEP适用于基于空间的注意和基于特征的注意研究.今后使用SSVEP对视觉选择性注意进行研究时,可以试图增加如情绪诱发、奖励和惩罚、工作记忆表征等影响视觉选择性注意的研究变量,也可以以SSVEP为指标,建立基于特征的注意和基于空间的注意之间的联系.此外,脑机接口研究中开发的针对SSVEP的算法也许可引入视觉选择性注意研究中.     

蝇视觉系统的图形-背景及模式辨别模型的神经学新证明

蝇仅依靠相对运动信息就能分辨物体(“图形”)与背景。至今,人们采用行为实验及电生理实验研究这样的信息处理问题。本篇研究旨在缩小行为水平与神经水平之间的差距。若F(x S(t))为一维的视觉反差刺激模式,按S(t)运动,则运动检测器的输出分布如下式:     

注意引导绑定:冲突适应研究整合的路径

冲突适应反映了基于目标导向行为的适应性认知控制,对个体适应环境具有重要意义.研究者主要从注意调节与记忆学习两个视角来解释冲突适应.前者强调注意资源调整在冲突适应中的作用,认为注意资源在目标刺激和干扰刺激间的分配(干扰刺激相比于目标刺激得到更少的注意资源)导致冲突适应;后者则强调记忆学习导致冲突适应的实现,即刺激与反应之间的绑定与解绑触发冲突适应.然而,由于研究侧重点不同,前人主要对两种视角分别进行探讨,不利于考察和理解冲突适应的全貌.因此,本文将基于偏向竞争模型和平行分布加工模型整合上述两种视角,并提出冲突适应的适切路径——注意引导的绑定学习假设.具体来说,冲突适应既需要通过任务目标要求来引导注意资源的分配,又需要通过绑定学习来增强“刺激-反应”的记忆表征,最终促进个体冲突适应行为的实现.注意引导的绑定学习假设为深入理解冲突适应的内在机制提供了整合的参考框架,并且为改善个体的冲突适应能力提供了可探寻的新方向.     

驾驶经验与横向控制的ACT-R认知体系结构建模

ACT-R(adaptive control of thought-rational)是一种认知体系结构的理论和计算模型.本研究使用模拟汽车驾驶比较了新驾驶员与熟练驾驶员横向控制绩效的差别,并运用基于ACT-R的驾驶员绩效模型对2类驾驶员的横向控制行为建立计算仿真模型,分析其心理机制,得到以下主要结论:(1)新驾驶员的横向控制技能不足,表现为横向偏差显著地大于熟练驾驶员,同时这一不足在弯路时比直路时更明显,新驾驶员弯路行驶时显著地偏向弯道外侧,而熟练驾驶员不发生外侧偏移;(2)使用认知体系结构建模的方法,以较近和较远的视觉注意点远点距离,可以模拟仿真出2组驾驶员弯路行驶外侧偏移的差异.本研究的方法和结果可以为改进驾驶培训和开发智能驾驶辅助系统提供认知心理学上的理论支持,也能为以ACT-R为代表的计算认知模型应用提供样例和经验.     

动态组合模式“蘸笔”纳米刻蚀与单个DNA分子上的物理纳米图形制造

利用“蘸笔”纳米刻蚀技术(DPN)可在金、硅和氧化硅等较硬的固相衬底表面上制作不同的纳米级图案. 但是, 在柔软的物体表面如生物大分子上直接制作纳米图形是尚需开拓的研究领域. 本文发展的动态组合模式“蘸笔”纳米刻蚀技术(CDDPN)可实现在生物大分子上直接制作纳米图形, 并且能达到在拉直的单个DNA分子上制造纳米图形的目的.     

中国潜在湿地分布的模拟

潜在湿地分布的空间信息对于提高湿地制图精度、理解湿地空间分布的变化规律以及制定湿地恢复政策等都具有重要意义.地形特征对湿地的分布具有决定作用,通过采用滤波方法识别真实洼地,并结合气候降水和蒸发资料,提高了地形特征(气候地形指数)的模拟精度;基于气候地形指数的空间分布特征及其与潜在湿地分布的时空关系,采用众数统计方法,模拟中国潜在湿地分布.该方法不仅具有一定的物理基础,而且避免了复杂分布式参数的获取和模型的数值求解,更适用于大尺度湿地分布研究.基于多年的气象数据资料的模拟结果表明:中国潜在湿地约为58.18×104 km2,其中沼泽湿地面积约为32.50×104 km2,水体面积约为25.68×104km2,主要分布在西北部的青藏、新疆地区,东北部内蒙、黑龙江和吉林地区,以及华北平原和长江流域.与已有湿地模拟结果对比表明:模拟结果在空间分辨率(90 m)和精度方面都有所提高;与全国湿地调查结果在空间分布格局上具有较高的一致性.该结果为进一步提高湿地遥感制图精度、制定湿地恢复策略等提供了重要的支撑.     

线聚焦激光辐照栅状结构靶的发射特性

近年来,世界范围内X射线激光研究在多方面取得了较大进展,引起人们广泛的注意,特别是,其中有关提高具有潜在实用价值的复合泵浦X射线激光的增益长度积(GL值)的研究是最活跃的前沿课题之一.采用新的靶型以加速冷却是一种可能的有效途径.此外,对不同结构的靶型,等离子体不均匀性的平滑和增长是大家关注的焦点问题.本文报道了线聚焦1.05μm激光辐照具有空间周期刻槽结构的栅状靶所产生等离子体的发射特性的实验研究结果.文中从空间和时间分辨的线状等离子体轴向和侧向软X射线光谱测量,空间分辨的电子温度和电子密度诊断,以及等离子体二次谐波发射测量等角度研究了栅状结构靶与激光相互作用的物理过程.通过与平面靶比较,实验观察到若干可能的激光跃迁的轴向发射增强等重要现象,表明采用这种结构的靶将可能提高复合X射线激光的增益.     

地震电磁信号传播的控制模拟实验

在考虑地理的相似性模型和波导模型的基础之上, 提出了一种探讨地球内部所产生的地震电磁信号在地壳与大气层中的传播特征的室内模拟实验方法, 并通过一些控制实验评估了背景电磁场、地形、边界条件、“源”(位置、强度、频率)、介质电性等对实验结果的影响, 讨论了该模拟实验方法的可信性及可扩展性. 该方法为地震电磁学中的难题之一的电磁信号传播问题提供了一种直观的研究途径.     

地基光度曲线反演空间目标特征技术研究进展

空间目标的形状、尺寸、姿态、角速度、反射率和材质等特征对目标识别、轨道预测、碰撞规避等应用有重要意义.地基光学观测系统是目前空间目标观测主要手段之一,但受大气、距离及自身分辨率的影响,难以对中高轨或尺寸较小的空间目标进行高分辨成像,只能呈现几个像素亮度变化的光斑.空间目标的亮度与目标特征密切相关,利用地基光学观测系统获取的目标光度曲线,可以对目标特征进行反演.本文分析了近10年国际上地基光度曲线反演空间目标特征技术的研究进展,系统梳理了基于地基光度曲线特征和基于模型构建的空间目标特征反演技术,详细分析了各技术的用途和优缺点,提出了未来该领域的研究发展方向.     

焦虑的脑科学研究与临床应用进展

焦虑障碍是我国患病率最高的精神障碍,也是全球第六大致残原因.如何建立精准有效的个体化预防-诊断-治疗体系,成为当前亟须攻克的难题.焦虑障碍主要包括广泛性焦虑障碍(GAD)、惊恐障碍(PD)和社交焦虑障碍(SAD)的亚型;其发病机制和分型机制尚不清楚.本文系统综述了近年来临床焦虑障碍和亚临床焦虑的研究进展,特别是本团队的研究进展,重点从神经认知机制的理论模型和临床应用方面寻求新的见解和研究线索.基于经典认知模型、杏仁核和脑岛中心神经模型,以及静态脑网络模型,我们提出了动态焦虑脑网络模型:强调突显网络、执行控制网络、默认网络和感知网络之间的动态相互作用,这是情绪和认知控制交互作用的基础;网络间的神经振荡负责资源转换和信号同步;去甲肾上腺素系统,特别是蓝斑(LC)-去甲肾上腺素(NE)系统,通过神经递质调节上述过程.本文还总结了焦虑的诊断和预测指标,包括遗传特征、认知特征和神经生物标志物,特别强调了特异频段的神经振荡模式,以及动态脑网络连接,以预测个体化焦虑症状和其他精神疾病.通过在体脑成像、神经环路示踪技术、单细胞组学等技术,全面精准解析焦虑障碍的多维度发病机制,揭示国家一类创新药物GW1...     

正负面情绪刺激下自闭症谱系障碍儿童的脑电信号分析

自闭症谱系障碍(autism spectrum disorder, ASD,简称自闭症)是一种神经发育障碍,通过脑电活动研究可以对自闭症儿童脑功能发展进行客观评价.在个体社会发展中情绪认知能力十分重要,自闭症儿童的情绪认知缺陷对其社会互动能力造成了极大的影响,阻碍了自闭症儿童的社会性发展.本研究主要通过分析情绪视频诱发被试儿童产生正面与负面情绪过程中的额叶、颞叶、枕叶等脑区的脑电活动,并结合情绪性能指标和认知水平,探索自闭症儿童和典型发展儿童的各自表现以及其脑电差异性.实验共招募80名儿童(自闭症儿童组:40名;典型发展儿童组:40名),通过快速傅里叶变换方法对被试儿童脑电分脑区进行功率谱分析,并探索情绪组别间效应.发现自闭症儿童脑波总体呈现出低频(delta, theta)和高频(beta, gamma)功率过大而Alpha频段功率较低的特点,且不同脑区的差异程度不同.通过比较正负面两种情绪刺激下基于脑波功率得到的情绪性能指标与认知的问答情况发现,自闭症儿童在不同情绪刺激下的情绪变化远小于典型发展儿童,并在正面情绪下有更高的兴趣度与参与度.此外,其情绪认知、空间认知等6个方面的认知情况均低于典型发展儿童,认知问答正确率较负面情绪下高.本研究为提高自闭症儿童情绪认知干预训练提供了客观依据.     

大脑奥秘新知

人的意识是如何产生的？性别差异对大脑的功能有影响吗？可否用外界力量干涉大脑活动？如何通过学习让人变得更聪明？你的大脑里一定有许许多多诸如此类的问题，想不想对它多一点了解？现在，让我们一起来看一看科学家在几个有关大脑的热门研究领域中所取得的新进展、新认识。 认识猫和狗 大脑对收到的信息大部分都因为无关紧要而被“置诸脑后”，只对少量重要的外来信息产生即时的反应。大部分信息则储存于大脑皮层而成为记忆。你得感谢上帝，幸好大脑有此功能，否则你就会被视野中的所有物体和周围的各种声音扰得心烦意乱。那么我们是怎么知道哪些信息是需要即时反应的，哪些信息是需要暂时储存起来的呢？研究人员通常是通过研究大脑特殊部位受损而丧失认知能力的病人来找出大脑主管认知的区域。目前，有大量的实验表明，大脑的额叶皮质区与高级认知能力密切相关。那么，在大脑的额叶皮质区有没有专门负责认识物体的神经元呢？有没有什么更直接的方法来研究我们是如何分辨出猫和狗的呢？ 也许我们并没有意识到，能分辨出猫和狗是一项了不起的技能。定义我们周围的物体；是人的一种最基本的行为。当我们走进一个房间时，我们并不需要花费很多的时间和力气来辨认房中的物品；我们立即可以知道这是椅子...     

知觉组织在人类视觉皮层的神经机制

利用事件相关电位(ERP)研究知觉组织在人类视觉皮层的神经基础. 使用的刺激图形是由局部元素均匀分布组成的正方形阵列(一致性刺激)和局部元素依据空间相邻性或颜色相似性形成行或列组织的正方形阵列(知觉组织刺激). 刺激图形随机呈现在视野中的一个象限, 被试做行或列组织的判断, 同时记录其ERPs. 实验发现, 一致性刺激与知觉组织刺激都能够诱发1个ERP早成分C1, 其幅度在刺激呈现后70 ms左右达到峰值, 并且其极性随刺激所处的上下视野变化. 基于真实脑边界元模型的偶极子分析结果表明, C1的源可定位于距状裂皮层, 其幅度受到相邻性知觉组织的调制. 这种知觉组织效应对于上视野刺激较强, 下视野刺激较弱. 这些结果为人类初级视皮层参与知觉组织的早期过程提供了ERP证据.     

神经科学家利用蝙蝠寻求解开大脑三维空间导航的秘密

揭开人和动物大脑方位感知与空间导航的秘密,一直是一个令人着迷的问题.科学家通过对大鼠和蝙蝠等动物近50年的研究,使我们对大脑二维(2 dimension, 2D)导航的神经基础有了较清楚的认识.研究发现,在海马和内嗅皮质等脑区有专门的导航细胞,包括位置细胞、网格细胞、边界细胞、头朝向细胞等.这些细胞及它们的"细胞域"可为2D空间导航提供"空间认知地图"或"心灵环境地图"和"指南针".然而,人和大量动物都生活在三维(3 dimension, 3D)空间中,大脑如何完成3D空间环境下的定位和导航?近年来,通过对爬行和飞行状态蝙蝠的研究,发现参与2D导航的那些细胞在3D空间下反应特性和模式均发生明显变化;蝙蝠属于社会性和群居性动物,研究还发现在其海马内存在社交位置细胞和目标方向角调谐细胞,分别负责获取环境中其他蝙蝠位置的踪迹信息以及目标的方向信息.由此可见,脑内这些空间定位细胞构成了导航的神经基础,并经过复杂的功能整合,构成了一个位于脑内的"微型全球定位系统",且在细胞水平上阐释了这种高级认知功能的原理.本文简要介绍了Nachum Ulanovsky等人近些年对蝙蝠大脑3D导航的研究.     

中国庐山乌龙潭冰川基岩表皮构造的新发现

在庐山科学考察中,新发现乌龙潭岩石表皮构造.从其地质空间位置、变形特征、应力场状态和动力学机制,均表明该表皮构造是由冰川作用所形成的.运用理论与实践相结合的分析方法,论证了庐山第四纪冰川作用发生的可能性,对青藏高原在中国东部气候环境变化的作用给予了充分的注意.     

一种新的基于拓扑结构特征的微裂隙-孔隙空间描述方法

微裂隙在多孔介质储层大量发育并与基质孔隙连通,是流体渗流特别是非常规储层油气渗流的重要通道.高精度无损成像技术以及数字岩心技术的快速发展,为孔裂隙空间描述、孔裂隙模型构建等研究提供了数据支撑.本文基于传统孔隙空间拓扑学,分析裂隙拓扑结构特征,充分考虑三维裂隙空间区别于普通孔隙的面状特征以及与基质孔隙之间的相互连通关系,提出"特征点化"的思路,将裂隙空间点进行分类,形成了适用于多种孔裂隙空间的描述以及结构特征分析方法.首先基于传统孔隙拓扑结构分析方法,提出"线面共存"的新骨架模型,提取裂隙中轴骨架面、中轴骨架线,精细刻画裂隙轮廓以及孔裂隙连通关系;其次,基于各类空间点的拓扑结构共性分别提取相应点集,分割孔隙、裂隙空间,构建微裂隙-孔隙骨架模型;第三,基于新的孔裂隙骨架模型提取孔裂隙空间的几何-拓扑结构特征参数,获取裂隙孔隙度、开度、倾角等重要裂隙几何参数,以及孔裂隙配位数、裂隙发育范围等拓扑参数;最后基于上述骨架提取描述方法,对理想与真实孔裂隙空间的数字岩心进行了骨架提取和分析.从微裂隙拓扑形态开展研究进而对裂隙-孔隙空间描述,可简化此类孔隙介质的建模过程,为后续气、液流动模拟提供准确数据基础,促进缝洞介质油气开发的进展.