计算神经科学:科学界最令人激动的一个领域

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egpfdgnwso 发表于 2018-3-1 09:24:56 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
什么是计算神经科学4 l( Y* ]  j( j6 {4 [
计算神经科学,是一门超级跨学科的新兴学科,它几乎综合了信息科学,物理学, 数学,生物学,认知心理学等众多领域的成果。
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每个人脑都是一台超级计算机,岂今为止,我们对人类大脑的探索还只停留在冰山一角。2 F0 \" H/ a# j# I" N& f. l
计算神经科学是什么,简而言之,计算神经科学是把大脑看成一个信息处理的器件,用数学物理计算机等综合方法研究生物的大脑是怎么工作的,例如学习,记忆,情感,意识等等。
8 l# H4 u" ^5 M& P. E; I/ {7 i- u( B6 \* `计算神机科学能带来什么5 I1 t; Q; X8 |* N6 u! x5 m; ]
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/ w( B1 O6 A! u# y7 E1 P+ Q+ b6 c 计算神经科学是脑科学中新兴的、跨领域的交叉学科。' M) J  I" W1 d  q5 r. c7 j& f$ M
信息科学与现代神经科学真正结合起来,是一个很大的挑战,计算神经科学是二者之间的桥梁,将在类脑计算、人工智能和脑机接口的发展中起关键作用。
# {0 o. ~) b9 t) A" ]# ` 可以说,没有世界一流的计算神经科学,就不可能有世界一流的类脑智能技术创新。
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1 d% ^# y. Y" D8 ^+ C 通过对人脑神经系统的结构、信息加工、记忆和学习机制的分析研究,从人脑工作的机理上进行仿真, 提出智能科学的新思想、新方法。, }) f, l8 N' I- u/ l% C' ~
它的发展将对认知科学、神经科学等产生重要影响。4 n; [  d- A) `
计算神经科学的灵魂
" j. p# v* u, z  q! S- s5 y 通过计算神经科学,我们把握的是神经电路的算法,而算法,是这个系统的灵魂。& T; }( S: Z' v& ?2 p4 R
一个基本的假设是大脑的各个不同功能区,比如视觉,听觉,嗅觉等, 实际运用的编码和解码算法是类似的。9 Z+ D$ j0 s1 g5 p& e: A
科学家已经成功实现了引导小鼠大脑的听觉区产生类似视觉的功能,只要用视觉信号训练它即可。这个原理被用于给盲人安装“电子眼”的研究,给盲人加上类似蝙蝠的声纳系统,然后引导他们的听觉脑区利用类似处理视觉信号的方法看到物体。
! B7 d; s) i  l' y* f$ W计算神经科学的基本方法
! ~2 q% l- G7 r& T0 Z6 c 这门学问的研究方法是顶层设计与寻找蛛丝马迹的侦探工作的结合。: k  L3 a, \. i. i+ M: |
在研究神经系统时,我们需要用工程师的想法。 我要是有一堆神经元组成的网络,我让它做哪些事情? 比如说记忆,当信息流过一堆细胞,它如何留下之后可以认读的印记?又如何在特殊的条件下被呼唤出来?
* I/ M1 J& @# ^! O' L/ e- F 这就是计算神经科学在做的事情,我们先主动设计这个一个系统,看看如何做到需要的功能,然后拿着这个东西回到生物的世界里去比较。
7 _& I! O( K- M; v2 M. H) A 综合1,2建模。以上完成了顶层设计结合实验结果设计模型的过程,犹如从地上狮子的脚印识别狮子(其实这就是我们的大脑始终在干的事情,反过来我们用它研究大脑)。
* g$ C" s5 N) C 由狮子推断狮爪。 现在我们通过伟大的想象力得来了一头活生生的狮子,它可以四处活动留下无数的脚印,我们让它在计算机里活动,得到各种特点的脚印。这就是我们的预测能力的来源,我们可以知道他今天的行动,也可以得到他明天后天的行动。
+ h/ d% y  G% m7 T, m( E 回到实验检验,让现实生活中的狮子多跑跑再留下一些脚印,看看是否符合模型推理的结果。
! U3 L  E6 u( l' z& D 由此可见计算神经科学的威力。我们从一棵树木推断了整片森林,由狮子的脚印探测了狮子。这个学科的魅力,也在想象与真实时近时远,若即若离的关系。/ e0 L7 M! |5 j* g
一个大家可以多专注的典型案例是对海马体的研究,海马体是大脑解决空间认知和情景记忆(时空轨迹)的超级计算器。这个原件的研究紧密的结合了细胞电生理实验,动物行为学和计算神经科学,也有非常多漂亮的计算模型。* [! Y2 q/ f1 k3 V( f
未来从计算神经科学中获益的几类人# \; B) l6 q% ?( ^  z1 A# S7 V, E
1. 在实验室里辛苦做电生理的生物博士们:计算神经科学家利用它们对整个系统运行机制的把握较大可能的对实验数据进行挖掘,并且帮助设计具有突破性的实验。
9 Z' K1 e7 O, D6 q0 c' z, D2. 生物制药公司:帮助设计新药,减少一种新药的试验年限。制药的根本在于某种化学物质对整个神经网络可能产生的影响,做跨尺度的分析恰是计算神经科学的长处。2 Y# y- L0 i% N9 M2 i
3. 人工智能:对生物大脑的理解帮助人工智能,类似仿生学。此处请看后文。
: L- v+ j) l8 @# d/ m4. 脑科及心理医生:每一个好的计算模型都可以帮助设计新的治疗方法。最典型的例子-老年痴呆症,如果能够了解人脑短期和长期记忆的机制就可以帮助人找到记忆衰退的原因并延缓它。
) }7 h+ d, {/ J1 y" M' p5.普罗大众: 没有什么比脑科学更能帮助每个人生活的更好。
6 F+ C2 \' u: E人类已经经历了蒸汽机、电气、原子和计算机三大科技革命,真正的第四次科技革命到底在哪里发生?9 k6 E+ D( _2 ?1 G, R  Q8 {
前中国首富,盛大游戏创始人陈天桥说:“第四次科技革命将以认知科学的破译和解码作为发端“,这意味着你对世界的认知可能会从根本上发生改变。”无论是超级计算机的解码能力、遗传学的发展、超声波的探索等等,一些新技术的出现,已将脑科学研究推向奇点,他相信这一奇点可以迎来突破。
7 Y4 W" A; u1 l, ^. h8 w 几千年来,人类一直在解决外部环境,从草履木屐,到飞机高铁,从能源利用,到空间探索。终于,科技发展让人类有可能去改变认知。如果人脑密码可以被破译,就可能被修改,不仅会给娱乐业如VR(虚拟现实) AR(增强现实)带来革命性改变,也可能让希拉里·普特南的“缸中之脑”假设成为现实,造出一个黑客帝国般让人产生真实体验的虚拟世界。甚至,人类可以让机器人产生自我意识,形成真正意义上的人工智能。. J4 z5 m# ]& Y- V3 b3 S3 k* I
这个时代我们能做点什么
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《2001太空漫游》里的大猩猩偶然发现吃剩的动物骨架很结实,于是将它当工具使用,由此人类的历史拉开了序幕。儿子正在看的津津有味,我问他:“如果只有粘贴复制,那从这只大猩猩开始,经过几百万年的演化,人类应该是什么样子?”,儿子学着大猩猩拍胸脯的样子说:“那人类还是大猩猩”。! p) m: z5 f0 L' O0 D
不只是传承,世界更需要创新,给孩子一对翅膀,让他们去飞! 未来已来,不能再等待!

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