【科普】大脑是如何编码复杂信息的?

640?wx_fmt=jpeg

来源: 原理

摘要:在电信技术发展的早期,工程师们发明了一种巧妙的方法,通过一根线路同时传输多个电话信号。


在电信技术发展的早期,工程师们发明了一种巧妙的方法,通过一根线路同时传输多个电话信号。这种技术被称为时分多路复用(time-division multiplexing),也就是说,时间域被分成一些周期循环的小段,每段时间长度是固定的,每个时段传输一个信号,当最后一个信号传输完毕,这样的过程会再次重复,传输下个信号片段。时分多路复用技术可以在各个发送的消息片段之间快速切换。在一项最新的研究中,杜克大学的研究人员发现,大脑中的神经元可能会采取类似的策略来传输信号。


640?wx_fmt=jpeg

杜克团队发现,单个神经元可以同时对多个刺激信息进行编码,这与像手机这样的电子产品按频率排序信号的方式非常相似。


“我们的问题是,对于周围世界两个不同的刺激,神经元如何在同一时间保存相关的信息? 通过研究猴子大脑的单个神经元,我们发现,在一些时间段,神经元对一个刺激做出反应,在另一些时间段,神经元对另一个刺激做出反应。神经元似乎能够在各个刺激信号之间切换。”杜克大学心理和神经生物学教授Jennifer Groh说道。


研究结果可能解释了大脑是如何处理来自我们周围世界的复杂信息的,也可能为我们的知觉与认知局限性提供洞察。该项研究结果发表在7月13日的《自然通讯》上。


多数关于单个神经元行为的研究一次只关注一个刺激——观察研究对象在听到一个音符,或者面对一个图像时,单个神经元会做何反应。但现实往往不会如此简单,我们的大脑能够同时处理多种刺激,比如在聚会上,一边听着背景音乐,一边和朋友聊天,或者从众多昆虫的鸣叫中分辨出蝉的聒噪。


“我们并不清楚大脑是如何从单个神经元编码单个信号,转换到单个神经元编码多个信号的。我们试图提供一个中间步骤,看看神经元是如何编码成组的信号的。”杜克大学心理与神经科学系的科学家Valeria Caruso说道。


更复杂的是,对于单个神经元的研究表明,许多感觉神经元能够对一个宽广频率范围内不同的声音做出反应。例如,你朋友的声音触发的神经元,也可能被你喜欢的曲调的音符触发。


“如果我是一个神经元,我能同时对沙发和沙发上枕头的图像做出反应,那么大脑是如何推断沙发和枕头都存在的呢?”Groh说道。


在实验中,研究人员让猴子们坐在黑暗的房间里,播放一种或两种声音,每种声音的频率不同,且来自不同的位置,以此来训练猴子,让它们朝听到声音的方向看。


当研究人员一起演奏两种声音时,猴子先朝一种声音的方向看,然后朝另一种声音的方向看,这表明猴子能够识别出存在两种不同的声音。


为了发现猴子的大脑是如何同时编码这两种声音的,研究小组在猴子的下丘(inferior colliculus,下丘位于中脑左右两侧,是听觉通路的重要组成部分)放置电极,以测量神经元放电(神经元从静息电位转换为动作电位的过程)导致的局域电场中的小尖峰。


640?wx_fmt=jpeg

○ 图中黄色箭头指出的部位是下丘(inferior colliculus),位于中脑下部背侧,是听觉通路的重要组成部分。位于中脑上部背侧的上丘(superior colliculus)是视觉通路的重要组成部分。


研究人员考察了单个神经元对每种单独的声音的反应,以及对两种声音的组合的反应。Groh介绍说,该领域的标准做法是,统计在一段时间内出现了多少次尖峰,并计算多次试验的平均值。但这种方法掩盖了任何可能表明神经元在不同刺激之间来回切换的活动波动。


该团队采用了先进的统计方法,包括一种由Tokdar及其团队开发的被称为动态混合点过程模型(Dynamic Admixture Point Process model)的新方法,以确保从数据中提取出更详细的模式。


他们发现,一个神经元会以一种放电频率对一个声音做出反应,以另一种不同的放电频率对第二个声音做出反应。当同时播放两种声音时,神经元在两种放电频率之间切换。有时,波动速度足够快,神经元在声音出现的半秒内就会切换,而在另一些情况下,转换的速度会慢一些。


640?wx_fmt=png

○ 神经元编码多个信号的策略可能类似于电话信号传输:单个神经元在不同信号之间快速切换,同时保留这些不同的信号(A-B-A-B),而非单独传输较强的信号(比如单独的B),或者传输不同信号的叠加(A+B),又或者不同信号的平均((A+B)/2)。| 图片来源:DOI: 10.1038/s41467-018-05121-8


该研究小组对洛克菲勒大学神经科学与行为学教授Winrich Freiwald的实验数据再次进行了统计分析。在这些实验中,Freiwald研究了大脑皮层视觉区域的单个神经元对包含一张或两张脸的图片的反应,分析结果表明,对于两张脸的图片,存在相同的切换模式。


这些发现为其他情况提供了线索,在这些情况下,大脑需要利用一组有限的神经元同时做不止一件事。例如,我们的工作记忆(我们的大脑一次能记住的东西的数量)被限制在4或5个左右。(关于人脑工作记忆限制的更详细介绍,参看《神奇的数字:4 或 5》)虽然这些实验没有直接测试工作记忆,研究者认为,进一步的研究可能有助于解释这种记忆力的限制。


Groh说,“我们的工作记忆系统其实非常有限,然而没有人真正知道为什么。也许这个极限来自于某种循环行为,其中神经元每一次只编码一个信号。那么,在一段时间内可以表示的信号的数量,取决于表示每个信号需要的时间以及信号间转换的速度。” 


参考链接:

https://today.duke.edu/2018/07/neurons-can-carry-more-one-signal-time

https://www.nature.com/articles/s41467-018-05121-8


未来智能实验室是人工智能学家与科学院相关机构联合成立的人工智能,互联网和脑科学交叉研究机构。


未来智能实验室的主要工作包括:建立AI智能系统智商评测体系,开展世界人工智能智商评测;开展互联网(城市)云脑研究计划,构建互联网(城市)云脑技术和企业图谱,为提升企业,行业与城市的智能水平服务。

  如果您对实验室的研究感兴趣,欢迎加入未来智能实验室线上平台。扫描以下二维码或点击本文左下角“阅读原文”

640?wx_fmt=jpeg

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.mzph.cn/news/495006.shtml

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系多彩编程网进行投诉反馈email:809451989@qq.com,一经查实,立即删除!

相关文章

为Visual Studio 2010添加HTML5的项目模板

HTML5时代来了,还不为你的Visual Studio 2010添加HTML5的项目模板!!! 本文在简单不过了,就是为你的Visual Studio2010创建一个项目模板,一个HTML5的项目模板。谁叫HTML5时代来了,Visual Studio …

物联网时代 人工智能如何与信息安全平衡发展?

来源:中新网近年来,随着机器学习、计算能力、存储能力以及云计算等技术发展,人工智能技术呈现出“井喷式”发展,家电、移动设备等各种硬件产品中都开始融入人工智能技术,AI人工智能的发展已成为大势所趋。360智能安全研…

杨氏矩阵简单介绍

杨氏矩阵的由来 在数学中,杨表(英语:Young tableau),又称杨氏矩阵。是对组合表示理论和舒伯特演算很有用的工具。它提供了一种方便的方式来描述对称和一般线性群的群表示,并研究它们的性质。杨表是剑桥大学…

全球五十家知名传感器制造商分布盘点、特点分析

来源:工业智能化摘要:近年来,世界传感器市场以持续稳定的增长之势向前发展,各国企业竞相加速对传感器的开发和产业化。东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区,而美国、德国、日本依然是传感器市场分布最大…

AI芯片:从历史看未来

来源:36氪摘要:从芯片发展的大趋势来看,目前尚处于AI芯片发展的初级阶段,无论是科研还是产业应用都有巨大的创新空间。我们相信,未来十年将是AI芯片发展的重要时期,有望在架构和设计理念取得巨大的突破。目…

替换字符串中的空格

剑指offer面试题 请实现一个函数,将一个字符串中的每个空格替换成“%20”。例如,当字符串为We Are Happy.则经过替换之后的字符串为We%20Are%20Happy。 看到题目后的思路 看到这个题目后,我们首相应该想到的是:原来的一个空格字…

类型,对象,线程栈和托管堆在运行时的相互关系(一)。

当系统加载一个CLR的进程,进程里面可能有多个线程,这时候系统会给这个进程创建一个大小为1M的线程栈。这个线程栈用来存放方法调用的实参,和方法内部定义的局部变量。下图展示了一个线程栈的栈内存。线程栈的存储是从高位内存地址向地位内存地…

阿里云发布三大人工智能产品:推动AI产业落地

来源:科技圈里那点事儿摘要: 近日,阿里云正式发布了三款人工智能产品:图像搜索、智能语音自学习平台以及机器翻译,进一步推动产业AI的落地。近日,阿里云正式发布了三款人工智能产品:图像搜索、智…

C/C++求一个整数的二进制中1的个数(用三种效率不同的方法实现)

题目: 实现一个函数,输入一个整数,输出该数二进制中1的个数。例如把9表示成二进制是1001,有2位是1,因此如果输入是9,该函数输出2 第一种解法(死循环) 判断整数二进制表示中最右边…

2018智能音频报告:智能音箱带来的智能音频和广播媒体的机遇

来源:199IT互联网数据中心摘要:前中国智能音箱正热,阿里巴巴、京东、百度纷纷发布自己的智能音箱产品,大打价格战,希望以绝对底价抢占市场。前中国智能音箱正热,阿里巴巴、京东、百度纷纷发布自己的智能音箱…

c++中求前n项和(这代码不得不让我佩服)

今天在牛客网上刷题,遇到了这道题,最后我看到一位大佬的代码让我感觉的还差很多!!! 题目 求123…n,要求不能使用乘除法、for、while、if、else、switch、case等关键字及条件判断语句(A?B:C&am…

基于Arduino和HC-SR04的超声波测距系统设计

本文介绍了如何使用Arduino和HC-SR04超声波传感器设计并构建一个简单的超声波测距系统。我们将详细讨论硬件连线和编程步骤,并提供完整的Arduino代码。此系统可以应用于各种需要测量距离的项目,例如智能车辆、机器人和安防系统。 引言: 超声…

中国AI企业吸金旺但90%亏损 今年将迎倒闭潮

来源:网易智能摘要: 据报道,自2017年人工智能成为国家战略目标后,相关产业迎来飞速发展机遇,更成为全球吸金能力最强的产业之一。2017全年,大陆AI企业的融资总额已占到全球的7成,但其背后的隐忧…

不用加减乘除算加法

题目 写一个函数,求两个整数之和,要求在函数体内不得使用、-、*、/四则运算符号。 思路 (一)首先看我们平时的十进制是如何做的: 65 ,三步曲!!! 相加各位的值&#xf…

《Nature》纪念人工智能60周年专题:深度学习综述

来源:网络大数据摘要:本文是《Nature》杂志为纪念人工智能60周年而专门推出的深度学习综述,也是Hinton、LeCun和Bengio三位大神首次合写同一篇文章。本文是《Nature》杂志为纪念人工智能60周年而专门推出的深度学习综述,也是Hinto…

对抗性攻击轻松愚弄人工智能

对抗性攻击欺骗图像识别算法将3D打印乌龟认作步枪。来源:中国科学报摘要:在日前于瑞典斯德哥尔摩举行的国际机器学习会议上,一群研究人员描述了他们的3D打印乌龟。在日前于瑞典斯德哥尔摩举行的国际机器学习会议上,一群研究人员描…

浅谈C语言指针

什么是指针? 在计算机科学中,指针(Pointer)是编程语言中的一个对象,利用地址,它的值直接指向存在电脑存储器中的另一个地方的值。由于通过地址能找到所需的变量单位,可以说,地址指向…

转:EXCEL数据有效性设置

原文: http://hi.baidu.com/guosq/blog/item/88b37cd5bd367cfda144dfa0.html 先看图,有学生成绩表格,录入要求: 1. 成绩范围: 0 - 100; 2. 课程:只能是语文、数学、英语。 操作步骤:…

科学家绘制果蝇完整大脑高清图—可借此追踪任何两个神经元之间的连接

研究人员利用电子显微镜重建了果蝇的一系列神经元。来源:中国科学报科学家近日首次对黑腹果蝇的整个大脑进行了足够详细的成像,从而能探测每个神经元之间的单独连接,或者说突触。由此获得的图像数据库可帮助研究人员描绘支撑果蝇嗅闻、嗡嗡叫…

谈谈 Android 有多成功!欧盟这么罚它

选自 | Stratechery 作者 | Ben Thompson 编译 | 网易智能 参与 | 乐邦西方知名科技博主本汤普森(Ben Thompson)近日发布题为“欧盟VS Android”的文章,称谷歌固然有其违法的地方,但欧盟剥夺谷歌从其冒着高风险斥资数十亿美元开发…