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  • 大脑网络

    美国科学家首次成功将思想植入猴子的脑袋,让猴子“学懂”解读人类讯息。若技术发展成熟,将来四肢瘫痪者可运用意念自如控制机械骨骼,人与人之间更可以意念沟通。

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    中文学名: 大脑网络

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    简介/大脑网络 编辑

    美国科学家首创将思想植入猴脑美国科学家首创将思想植入猴脑

    将来,什么是世界第一大网络呢?答案或许不再是“互联网”。因为,科学家预计,人类可能建立一个“大脑网络”,人与人直接用意念进行交流的梦想将成真。

    电影《盗梦空间》中把思想植入人脑的情节,是不是令你惊嘘?下面的消息或令你更兴奋:美国科学家首次成功把思想植入猴子的大脑,让猴子学会读懂人类的信息。一旦这项研究成熟,瘫痪患者能通过意念控制辅助设备轻松走路,人类之间可达到“心有灵犀一点通”的境界。

    大脑是生物体内结构和功能最复杂的器官/大脑网络 编辑

    “意识的曼陀罗”:猕猴大脑长距网络,跨越皮质,丘脑,以及基底神经节,显示了383个大脑区域之间的6602个长距连接。(美国国家科学院院刊)“意识的曼陀罗”:猕猴大脑长距网络,跨越皮质,丘脑,以及基底神经节,显示了383个大脑区域之间的6602个长距连接。(美国国家科学院院刊)

    同时它也是极为精巧和完善的信息处理系统。人类大脑的神经细胞总数约为1012个,相当于整个银河系星体的总数。此外,还有比神经细胞多10-50倍的神经胶质细胞。大脑掌管着人类每天的语言、思维、感觉、情绪、运动等高级活动。越来越多的学者认为,揭示大脑的奥秘将是人类面临的最大挑战.无论在研究大脑神经网络的联想记忆和模式分割,还是在研究大脑神经系统的混沌控制与混沌同步时,神经元之间或者神经元集群之间的拓扑结构都是一个值得考虑的问题,经由这些拓扑结构所构成的复杂脑网络从本质上决定了整个大脑的工作情况。

    如果我们能够尽可能按照真实的复杂脑网络所遵循的拓扑结构,以神经元数学模型方程作为节点构成网络对大脑的生理学行为进行模拟,必然会得出更加接近真实的结论。早期的神经科学研究着重强调各脑区功能的定位,而现代的观点却倾向于运用复杂网络的方法分析不同层次神经网络的结构和动力学行为。复杂网络是近十年新兴起的一个学科,以小世界效应和无标度特性为代表的复杂网络吸引了越来越多人的关注,并广泛应用到不同的学科当中。运用复杂网络知识体系,对大脑网络的建模及其动力学分析,已成为神经科学的热门课题。

    再次步行/大脑网络 编辑

    核心子网 (PNAS)核心子网 (PNAS)

    研究由美国北卡罗来纳州杜克大学进行,属“Walk Again”(再次步行)计划的一部分,目的是帮助瘫痪者重新步行。科学家在猴子的头骨钻了一些小孔并植入微芯片,每片芯片包括约700个如发丝般细的电极。这些芯片穿入猴子脑部表面数毫米,用来记录讯息和输入数据到猴子的大脑皮层

    成功分辨包含食物盒子

    结果科学家成功让猴子“学懂”解读这些讯息,过程更十分迅速。科学家准备了2个盒子,其中一个包含食物。猴子通过讯息知道食物所在。该实验尚未正式发表,若获证实,相信是首次成功将电子讯息传送到灵长目动物脑内的实验。

    负责该项目的科学家,较早前成功让猴子以至帕金森病患者,通过植入脑中的电极传出讯息,从而控制计算机屏幕上的游标;又曾让一只猴子以大脑讯息,在因特网控制千里之外的一个机械人行走。

    讯息双向流动 学习数目

    然而科学家指出,要真正让四肢瘫痪的病人自如控制机械骨骼,讯息的流动必须双向,使病人感受到步法和行走速度等“感官讯息”。将讯息直接传送到大脑皮层正是关键一步。负责研究的科学家尼科利斯指出,相关技术还须提升,将每个芯片包含的微电极数量由数百增至数千。到时病人只需花数月熟习,机械骨骼便会和病人身心相连,恍如身体一部分。

    相关技术还可有更广泛用途。尼科利斯预计,将来人类可通过大脑讯息,直接和个人计算机的操作系统软件交互交流,不用鼠标键盘便可开启程序和在计算机撰写笔记。相关技术将来更可发展为“大脑网络”(brain net),让人类以大脑讯息直接沟通。现时英特尔Google(谷歌)和微软皆已成立“脑袋机械”部,进行相关研究。[1]

    军事领域/大脑网络 编辑

    这项医学研究已经跨界到军事领域。美国国防部已经投资2400万美元,进行各种“思维控制机器人”的研究工作。这一计划的终极目标是,制造出一种能完全用思维控制的“机器战士”或者新型无人驾驶飞机。

    商业领域/大脑网络 编辑

    商界人士早就盯上了这项“高含金量”的研究。英特尔、谷歌和微软都已成立“脑袋机械部”,进行相关研究。以后,你可能不再需要用手指敲击键盘,移动鼠标了,直接用意念操纵电脑开机,甚至写博客[2]

    大脑网络的节点和边/大脑网络 编辑

    网络出发,首先要搞清楚大脑网络的节点和边是什么?为此O.Sporns 教授http://www.indiana.edu/~cortex/CCNL_main_menu.html提出了从以下三个节点层次来建模,即微观尺度(神经元)、中尺度(神经集群)、大尺度(脑区域)。正如J.Kurths教授所描述的大脑是“Networks of Networks”。

    具有无标度和小世界双重特征

    目前国内外许多学者都开始了大脑与复杂网络相结合的实证研究,他们分别利用神经解剖学数据、弥散张量成像技术(DTI: Diffusion Tensor Imaging)、脑电图技术(EEG: Electroencephalography)、脑磁图技术(MEG: Magnetoencephalography)、功能性磁共振成像技术(fMRI: Function Magnetic Resonance Imaging)来采集数据建立大脑网络,运用复杂网络观点,结合图论知识来进行分析,得出了许多令人振奋的结果。如以解剖学为依据构建的大脑结构性网络,发现具有小世界特征;而以fMRI得到的数据构建的大脑网络具有无标度和小世界双重特征。

    研究主要集中在几个方面

    大脑神经网络是一个能够实时地从外部和内部各种刺激中极其完美地提取和整合各种信息的复杂网络。目前关于大脑网络的研究主要集中在以下几个方面:大脑疾病(如精神分裂症帕金森症、Alzheimer’s Disease等)的预测和诊断、大脑结构与功能性网络的动力学分析、脑的损伤以及与临床相结合的实证研究。例如我国中科院自动化所蒋田仔教授http://www.nlpr.ia.ac.cn/jiangtz/通过fMRI技术,对精神分裂症病人采集数据,运用复杂网络的统计特性,构建大脑网络,与正常人做比较,引起了国内外的关注。

    基于fMRI、EEG、MEG数据进行

    目前世界上大多数关于大脑功能性网络的研究是基于fMRI、EEG、MEG数据进行的,利用这些技术各有优势,如脑电图(EEG)测量虽然空间定位性不太好,而且网络节点数量相对较少,但是它也有其特殊的优点,即时间性非常好,并且价格便宜,易于获取。同时有些疾病(如Alzheimer症)由于特殊原因而不能或不适宜进行fMRI检查。
    神经科学的一个重要目的是去理解大脑活动的时空模式。从某种意义来说,大脑可以被看作一个不断组织和重塑其功能连接的动态网络。目前,复杂脑网络的研究层次被分为基于神经解剖学的结构性网络(Structural network)、由于神经元集群的非线性动力学行为呈现统计学依赖性模式所产生的功能性网络(Functional network)以及比功能性网络更强调节点之间相互因果作用的效率性网络(Effective network)3个主要层次。大脑本质上是一个动力学系统,其中任意两个区域之间的通讯,都与建立于动力学理论基础之上的复杂功能性网络密切相关。

    运用网络科学来研究大脑网络为我们研究复杂网络开辟了一个新的领域,这为人类研究大脑提供理论和技术支持,具有重要的学术价值和广阔的应用前景。

    IBM科学家创造最全面的大脑网络图/大脑网络 编辑

    星系最复杂的体系结构

    “我们已经成功地发现并绘制了最全面猕猴大脑的长距网络,这对于理解大脑的行为,复杂性,动态性和计算是必不可少的,”Modha博士说。 “我们现在可以前所未有的深入了解信息在大脑里面是如何传递和处理的。” “我们已经整理了一个全面,一致,简洁,连贯和庞大的网络,覆盖了整个大脑,立足于解剖跟踪研究,是神经科学和认知计算的基础以及应用研究的奠基石。” 科学家着重于383个脑区的长距网络和通过大脑白质传输的6602个长距大脑连接,它们就是辽阔的大脑区域间的“州际公路“,他解释说,短距的灰质连接(基于神经元)在局部大脑区域和下分结构构成“局部连路”。 他们的研究建立一个公开的数据库名为猕猴大脑连接数据校对(CoCoMac),它汇集了来自过去半个多世界400多科学家发布的神经解剖学的解剖跟踪数据的科研报告。 “相比于以前的最大努力,我们研究了四倍的大脑区域,并编制了近3倍数量的连接。” 他指出 “我们的数据可能会开辟全新的方法分析,理解,并最终模仿大脑的网络结构,根据Marian C. Diamond 和 Arnold B. Scheibel的说法,这是”地球上最复杂的体系结构,甚至可能也是我们星系最复杂的。

    高级的认知和意识中心

    研究人员发现大脑网络包含一个“紧密集成的核心,可能是在高级的认知甚至是意识的中心…而且可能是人们一直思考的问题——人类是如何思考的——的关键所在。”

    核心跨越了运动前皮层,前额叶皮质,颞叶,顶叶,丘脑,基底节,扣带皮质,脑岛和视觉皮层等各部分。

    前额叶皮层:信息的集成与分发

    通过对大脑区域的排序(类似搜索引擎的网页排名机制 [当然不是指占中国大部分市场的那个——译者注] ),他们发现了证据表明:前额叶皮层,位于大脑正前面,是大脑功能的一部分,作为信息集成和分发的中心。可以把它看成是一个交换总机。

    大型网络理论分析

    正如他们在PNAS的文章中指出,“大脑网络开启了一扇通向大型网络理论分析的大门,这些已经在互联网,代谢网络,蛋白质相互作用网络,各种社会网络以及万维网搜索中成功地理解得到。网络将是在临床,系统,认知和计算神经科学(也叫认知计算)不可或缺的基础“。他们认为,研究结果将有助于他们设计认知网络计算芯片的路由架构。

    这项研究是由美国国防高级研究计划局,国防科学办公室主办。计划:自适应系统的神经形态塑料可伸缩的电子。2010年4月份,Modha博士在图森举办的走向意识的科学的会议上介绍了激动人心的研究发现。[3]




      

    相关文献

    参考资料
    [1]^引用日期:2011-02-04
    [2]^引用日期:2011-02-04
    [3]^引用日期:2011-02-04

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