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《美国哈佛科学家利用AI算法创造图像，实现对猴子大脑单个神经元的控制》

  • 来源专题：中国科学院文献情报生命健康领域集成服务门户
  • 编译者： 江洪波
  • 发布时间：2019-05-22

  • 5月5日，美国哈佛大学研究人员开发出一种AI学习算法“XDREAM”，可根据特定神经元对图像反应强度的实时反馈来生成新图像。该AI系统生成图像并展示给猴子，然后根据猴子神经元对图像的反应信息来调整图像，生成可能与猴子的视觉处理系统产生更多共鸣的新图像。最终AI系统学会了生成能够激活单个脑细胞、而不会同时激活它的相邻细胞的图像。该项研究有助于揭示驱动认知问题的基本机制，促进学习障碍、自闭症谱系障碍等多种脑部疾病的研究。相关研究成果发表于《细胞》期刊。

  • 原文来源：http://tech.gmw.cn/2019-05/13/content_32827105.htm?s=gmwreco2
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  • 《科学家刺激神经元诱导小鼠心灵的特殊感知》
    • 来源专题：生物安全网络监测与评估
    • 编译者：yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间：2019-07-22
    • 幻觉是怪异的，幸运的是，相当罕见。但是，一项新的研究表明，真正的问题不是为什么有些人偶尔会遇到它们。这就是为什么我们所有人都不会产生幻觉的原因。 在这项研究中，斯坦福大学医学院的神经科学家刺激了小鼠视觉皮层中的神经细胞，从而在动物的脑海中诱发出一种虚幻的形象。科学家需要刺激数量惊人的神经细胞或神经元，以产生感知，从而导致小鼠以特定的方式行事。 “早在2012年，我们已经描述了控制清醒，警觉动物中单独选择的神经元活动的能力，”生物工程和精神病学与行为科学教授，医学博士Karl Deisseroth说。 “现在，我们第一次能够提升这种能力，一次控制多个单独指定的细胞，让动物感知某些特定的东西，实际上并不存在 - 而且表现得相应。” 该研究将于7月18日在线发表在“科学”杂志上，对于更好地理解大脑中的自然信息处理以及精神分裂症等精神疾病具有重要意义，并指出了设计单细胞神经修复装置的可能性。解析度。 Deisseroth是该研究的资深作者。工作人员科学家James Marshel博士和Sean Quirin博士分享了主要作者身份;研究生Yoon Seok Kim;和博士后学者Timothy Machado，博士。 使用光遗传学 Deisseroth是霍华德休斯医学研究所的研究员，拥有DH陈教授，开创了光遗传学，这项技术使研究人员能够利用光脉冲刺激自由移动的动物中的特定神经元，并观察对动物脑功能的影响。行为。 在这项新研究中，Deisseroth和他的同事将两个基因的组合插入到实验室小鼠视觉皮层中的大量神经元中。一个基因编码一种光敏蛋白，导致神经元响应于狭窄定义颜色的激光脉冲而发射 - 在这种情况下，在红外光谱中。另一个基因编码一种荧光蛋白，每当神经元活跃时就会发出绿光。 科学家们通过移除一部分动物的头骨来暴露部分视觉皮层，在小鼠和人类中负责处理从视网膜传递的信息，从而在老鼠身上创造了颅窗。调查人员用透明玻璃覆盖物保护这个暴露区域。然后，他们可以使用他们为研究目的而开发的设备，将全息图 - 目标光子的三维配置 - 投射到视觉皮层上。这些光子将落在特定神经元的精确点上。研究人员可以监测大约1平方毫米的大脑皮层的两个不同层中几乎所有单个神经元的活动，并且包含数千个神经元的数量级。 将他们的头部固定在舒适的位置，鼠标在屏幕上显示随机系列的水平和垂直条。研究人员观察并记录暴露的视觉皮层中哪些神经元被一种或另一种方向优先激活。从这些结果中，科学家们能够识别被“调整”到水平或垂直视觉显示的单个神经元的分散群体。 然后，他们能够以全息图的形式“回放”这些记录，这些全息图仅在对水平或垂直条形图响应的神经元上产生红外光点。即使在相对远离受刺激神经元的位置，所产生的下游神经元活动也非常类似于在屏幕上显示自然刺激 - 白色背景上的黑色水平或垂直条纹时观察到的活动。 当他们看到一个垂直的酒吧时，科学家训练老鼠舔附近管子的末端，但是当他们看到一个水平的时候，或者当他们看不到水平的时候。在几天的过程中，随着动物区分水平和垂直条纹的能力的提高，科学家们逐渐减少了黑白对比度，使任务逐渐变得更加艰难。他们发现，如果科学家通过同时进行光遗传学刺激补充视觉显示，小鼠的表现会有所提高：例如，如果动物的表现因对比度降低而恶化，研究人员可以通过刺激先前被认为优先的神经元来提高其辨别力。被设置为响应水平或垂直杆而发射。 仅当光遗传学刺激与视觉刺激一致时才发生这种增强 - 例如，垂直条形显示加上先前鉴定为响应于垂直取向的条形可能发射的神经元的刺激。 幻觉老鼠 一旦老鼠变得善于区分水平和垂直条，科学家就能够通过将“垂直”全息程序投射到老鼠的视觉皮层上来诱导老鼠的管舔行为。但如果投射“水平”程序，老鼠不会舔管。 “不仅动物做同样的事情，而且大脑也是如此，”Deisseroth说。 “所以我们知道我们要么重新创造自然感觉，要么创造出与它类似的东西。” 在他们的早期实验中，科学家已经发现许多神经元被调整为水平或垂直方向，但他们还没有直接刺激每个特定神经元的光遗传学。一旦训练了小鼠，对少数这些神经元进行光遗传学刺激就足以使小鼠以适当的舔或无舔行为作出反应。 研究人员惊讶地发现，光学刺激大约20个神经元 - 或者在某些情况下更少 - 只是为了对正确的方向做出反应而选择，可以产生相同的神经元活动和显示垂直或水平条的动物行为。 Deisseroth说：“你需要在动物中特异性刺激产生感知的神经元很少，这是非常值得注意的。” “小鼠大脑有数百万个神经元;人脑有数十亿个，”他说。 “如果只有20左右可以创造一种感知，那么为什么我们不会因为虚假的随机活动而一直产生幻觉？我们的研究表明，哺乳动物皮质在某种程度上可以对数量极低的细胞做出反应而不会造成假对噪音的反应。“ Deisseroth是Stanford Bio-X和斯坦福大学吴仔神经科学研究所的成员。 斯坦福大学的技术许可办公室已经提交了与该工作相关的知识产权专利申请。 这项工作由国防高级研究计划局，HHMI，国立卫生研究院（拨款R01MH075957和P50DA042012），西蒙斯基金会，威格斯家庭基金会，南希和詹姆斯格罗斯菲尔德基金会，山姆和贝齐里夫斯基金会资助， HL Snyder Foundation，Burroughs-Wellcome Foundation，McKnight Foundation，James S. McDonnell Foundation和Swartz Foundation。 ——文章发布于2019年7月18日
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  • 《探索 | 科学家开发模仿大脑功能的计算机芯片》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2022-07-08
    • 一种新的微电子设备可以通过使用电脉冲按需对计算机硬件进行编程和重新编程。一个包括美国能源部（DOE）阿贡国家实验室在内的多机构合作，已经创造了一种材料，可用于制造能够做到这一点的计算机芯片。它通过使用所谓的“神经形态”电路和计算机架构复制大脑功能来实现这一目标。普渡大学教授Shriram Ramanathan领导了该团队。 “人类的大脑实际上可以因学习新事物而发生变化，”论文合著者Subramanian Sankaranarayanan说，他在阿贡国家实验室和伊利诺伊大学芝加哥分校担任联合职务。“我们现在已经创造了一个设备，让机器以类似大脑的方式重新配置它们的电路。” 有了这种能力，基于人工智能的计算机可能会更快、更准确地完成困难的工作，同时使用更少的能源。一个例子是分析复杂的医疗图像。自动驾驶汽车和太空中的机器人可能会根据经验重新连接它们的电路，这是一个更未来的例子。 新设备中的关键材料由钕、镍和氧组成，被称为钙钛矿镍酸钕。研究小组给这种材料注入了氢气，并在其上附加了电极，允许在不同电压下施加电脉冲。 Sankaranarayanan说：“氢气在镍酸盐中的数量以及它的位置，改变了电子特性。而我们可以通过不同的电脉冲来改变它的位置和浓度。” “这种材料具有多层次的特性，”论文共同作者、阿贡国家实验室物理学家周华补充说。“它具有日常电子产品的两种常见功能--开启和阻断电流，以及储存和释放电力。真正新的和引人注目的是增加了与大脑中突触和神经元的独立行为类似的两种功能。 一个神经元是一个单一的神经细胞，通过突触与其他神经细胞连接。神经元发起对外部世界的感应。” 在其贡献中，阿贡团队对不同电压下的镍酸钕装置所发生的事情进行了计算和实验表征。为此，他们依靠能源部科学办公室在阿贡的用户设施：先进光子源、阿贡领导计算设施和纳米材料中心。 实验结果表明，只要改变电压就能控制氢离子在镍酸盐中的移动。一定的电压使氢气集中在镍酸盐中心，产生类似神经元的行为。不同的电压使氢离子从中心穿梭出来，产生类似突触的行为。在不同的电压下，氢的位置和浓度会引起计算机芯片的通断电流。 阿贡国家实验室科学家Sukriti Manna说：“我们在原子尺度上揭示这一机制的计算是超级密集的。”该团队不仅依靠阿贡领导层计算设施的计算能力，而且还依靠国家能源研究科学计算中心，这是美国能源部科学办公室在劳伦斯伯克利国家实验室的用户设施。 该机制的确认部分来自高级光子源33-ID-D光束线上的实验。 周华说：“多年来，我们与普渡大学的小组建立了非常富有成效的伙伴关系。在这里，研究小组准确地确定了在不同电压下镍酸盐内部的原子排列。特别重要的是跟踪材料在原子尺度上对氢气运动的反应。” 利用该团队的镍酸盐设备，科学家们将努力创建一个人工神经元和突触的网络，可以从经验中学习和修改。这个网络将随着新信息的出现而增长或缩小，从而能够以极高的能源效率工作。而这种能源效率将转化为更低的运营成本。 以该团队的设备为构件的大脑启发式微电子技术可能有一个光明的未来。这一点尤其重要，因为该装置可以在室温下通过与半导体行业实践相兼容的技术制造。 阿贡团队的相关工作得到了美国能源部基础能源科学办公室，以及空军科学研究办公室和国家科学基金会的资助。
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