腦認(rèn)知神經(jīng)環(huán)路的連接圖譜、編碼模式、動(dòng)力學(xué)過程、學(xué)習(xí)規(guī)則等信息處理機(jī)制,為構(gòu)建人工智能系統(tǒng)提供了結(jié)構(gòu)、算法和功能上的依據(jù),從而為人工智能算法的發(fā)展提供系統(tǒng)化的理論框架。借鑒腦的信息處理的基本原則,開發(fā)腦啟發(fā)算法、研制類腦智能系統(tǒng),成為人工智能研究的重要方法和途徑,在世界范圍內(nèi)逐步成為一個(gè)新興的研究方向。腦科學(xué)對(duì)記憶神經(jīng)環(huán)路的研究,初步揭示了動(dòng)物在環(huán)境中導(dǎo)航的神經(jīng)基礎(chǔ),為研究機(jī)器人的空間認(rèn)知和智能導(dǎo)航系統(tǒng)提供了參考范例。本文對(duì)大腦內(nèi)在的空間定位系統(tǒng)和類腦導(dǎo)航這一學(xué)科交叉領(lǐng)域做簡要綜述,通過回顧和展望,探討發(fā)展基于理解型學(xué)習(xí)、具有可解釋性和安全性的人工智能系統(tǒng)的可行性。 

【文章來源】：人工智能. 2020,(01)

【文章頁數(shù)】：16 頁

【部分圖文】：

哺乳動(dòng)物視覺感知通路和海馬體。A中的HC和ER區(qū)域分別為海馬體和內(nèi)嗅皮層，它們的內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)由B圖顯示。

1971年，O"Keefe等人在自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的大鼠的海馬體(圖2A)中，發(fā)現(xiàn)了具有特殊峰電位活動(dòng)的錐體細(xì)胞，該類神經(jīng)細(xì)胞只在大鼠運(yùn)動(dòng)到特定區(qū)域時(shí)放電（圖2B），稱為位置細(xì)胞(Place Cell)[9]。圖2B中黑色曲線是大鼠在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)軌跡，每一個(gè)紅點(diǎn)表示該細(xì)胞放電時(shí)動(dòng)物所處的位置。放電強(qiáng)烈的區(qū)域稱為該位置細(xì)胞的位置野(Place Field)。位置野的位置和大小因細(xì)胞而異，起到記憶環(huán)境中特定位置的作用。位置細(xì)胞群體組成了一個(gè)表征動(dòng)物位置的稀疏群體向量(Population Vector)。成千上萬的位置野覆蓋了整個(gè)環(huán)境空間，構(gòu)成了大腦對(duì)外部環(huán)境的認(rèn)知地圖，即環(huán)境格局在神經(jīng)系統(tǒng)中的表達(dá)。位置細(xì)胞也同樣存在于小鼠、蝙蝠[10]、猴子[11]和人[12]的大腦中。動(dòng)物首次進(jìn)入新環(huán)境時(shí)，位置細(xì)胞可在幾分鐘內(nèi)形成新的穩(wěn)定的放電模式[13]。位置細(xì)胞的放電模式具有穩(wěn)定性，去掉光照后細(xì)胞的放電模式在黑暗中依然存在。當(dāng)動(dòng)物在數(shù)天甚至數(shù)月后重新進(jìn)入該環(huán)境時(shí)，放電模式基本保持原樣[14]。位置細(xì)胞在新環(huán)境中迅速形成新的放電模式的現(xiàn)象被稱為編碼重構(gòu)(Remapping)[15]，表明海馬體對(duì)環(huán)境的編碼形成后可以不依賴于外部的感知信息，認(rèn)知地圖可能是由多個(gè)子圖（Multichart）組成，每個(gè)子圖形成獨(dú)立的吸引子網(wǎng)絡(luò)。編碼重構(gòu)存在兩種形式，頻率重構(gòu)(Rate Remapping)和全局重構(gòu)(Global Remapping)[16]。頻率重構(gòu)時(shí)細(xì)胞的放電位置不變，位置野內(nèi)的放電頻率改變，通常由環(huán)境的輕微變化所引起。全局重構(gòu)時(shí)位置細(xì)胞的位置野的中心發(fā)生變化，放電模式與原放電模式相互獨(dú)立，導(dǎo)致群體向量相互正交(Orthogonal)。全局重構(gòu)常伴隨于環(huán)境變化較大或動(dòng)物進(jìn)入新環(huán)境時(shí)。全局重構(gòu)時(shí)，如果某個(gè)位置細(xì)胞在兩個(gè)環(huán)境中均放電,則兩個(gè)位置野間沒有對(duì)應(yīng)關(guān)系，某個(gè)位置細(xì)胞在一個(gè)環(huán)境中存在位置野,不能預(yù)測在下一環(huán)境中是否存在位置野。

2008年，邊界細(xì)胞的存在被兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室證實(shí)[55,56](圖3)。邊界細(xì)胞同柵格細(xì)胞、頭朝向細(xì)胞一起共存于內(nèi)嗅皮層、前下托和傍下托中。當(dāng)動(dòng)物處于封閉環(huán)境的某個(gè)邊界附近時(shí)，表達(dá)該邊界的邊界細(xì)胞放電頻率增強(qiáng)(圖3A)，挪動(dòng)該墻壁，則該細(xì)胞放電野跟隨墻壁移動(dòng)(圖3B),延長該墻壁，該邊界細(xì)胞的位置野仍能鋪滿該墻壁(圖3 C)。邊界細(xì)胞對(duì)環(huán)境的多個(gè)邊界都有響應(yīng)。當(dāng)在環(huán)境中添加與邊界細(xì)胞編碼的墻壁平行的新墻壁時(shí)，邊界細(xì)胞在新增墻壁處增加一個(gè)位置野(圖3D-E)。邊界細(xì)胞中編碼相鄰邊界的細(xì)胞在其它環(huán)境中依然在相鄰邊界放電，這與頭朝向細(xì)胞相似，表明邊界細(xì)胞同頭朝向細(xì)胞一樣形成了穩(wěn)定的循環(huán)網(wǎng)絡(luò)[56]。幼鼠在第一次離巢時(shí)就可檢測到穩(wěn)定的邊界細(xì)胞和頭朝向細(xì)胞[57]，表明邊界細(xì)胞和頭朝向細(xì)胞在動(dòng)物空間認(rèn)知系統(tǒng)形成過程中起著基礎(chǔ)性的作用。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]類腦智能研究的回顧與展望[J]. 曾毅,劉成林,譚鐵牛.  計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào). 2016(01)
[2]身在何處——2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)介紹[J]. 汪云九.  自然雜志. 2014(06)



本文編號(hào)：3006512