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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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    • 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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