空間記憶與類腦導航研究進展
發(fā)布時間：2021-01-29 07:25
腦認知神經(jīng)環(huán)路的連接圖譜、編碼模式、動力學過程、學習規(guī)則等信息處理機制,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)逐步成為一個新興的研究方向。腦科學對記憶神經(jīng)環(huán)路的研究,初步揭示了動物在環(huán)境中導航的神經(jīng)基礎,為研究機器人的空間認知和智能導航系統(tǒng)提供了參考范例。本文對大腦內(nèi)在的空間定位系統(tǒng)和類腦導航這一學科交叉領域做簡要綜述,通過回顧和展望,探討發(fā)展基于理解型學習、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等人在自由運動狀態(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的錐體細胞，該類神經(jīng)細胞只在大鼠運動到特定區(qū)域時放電（圖2B），稱為位置細胞(Place Cell)[9]。圖2B中黑色曲線是大鼠在實驗環(huán)境中的運動軌跡，每一個紅點表示該細胞放電時動物所處的位置。放電強烈的區(qū)域稱為該位置細胞的位置野(Place Field)。位置野的位置和大小因細胞而異，起到記憶環(huán)境中特定位置的作用。位置細胞群體組成了一個表征動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環(huán)境空間，構(gòu)成了大腦對外部環(huán)境的認知地圖，即環(huán)境格局在神經(jīng)系統(tǒng)中的表達。位置細胞也同樣存在于小鼠、蝙蝠[10]、猴子[11]和人[12]的大腦中。動物首次進入新環(huán)境時，位置細胞可在幾分鐘內(nèi)形成新的穩(wěn)定的放電模式[13]。位置細胞的放電模式具有穩(wěn)定性，去掉光照后細胞的放電模式在黑暗中依然存在。當動物在數(shù)天甚至數(shù)月后重新進入該環(huán)境時，放電模式基本保持原樣[14]。位置細胞在新環(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]，表明海馬體對環(huán)境的編碼形成后可以不依賴于外部的感知信息，認知地圖可能是由多個子圖（Multichart）組成，每個子圖形成獨立的吸引子網(wǎng)絡。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)時細胞的放電位置不變，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)時位置細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立，導致群體向量相互正交(Orthogonal)。全局重構(gòu)常伴隨于環(huán)境變化較大或動物進入新環(huán)境時。全局重構(gòu)時，如果某個位置細胞在兩個環(huán)境中均放電,則兩個位置野間沒有對應關系，某個位置細胞在一個環(huán)境中存在位置野,不能預測在下一環(huán)境中是否存在位置野。
2008年，邊界細胞的存在被兩個實驗室證實[55,56](圖3)。邊界細胞同柵格細胞、頭朝向細胞一起共存于內(nèi)嗅皮層、前下托和傍下托中。當動物處于封閉環(huán)境的某個邊界附近時，表達該邊界的邊界細胞放電頻率增強(圖3A)，挪動該墻壁，則該細胞放電野跟隨墻壁移動(圖3B),延長該墻壁，該邊界細胞的位置野仍能鋪滿該墻壁(圖3 C)。邊界細胞對環(huán)境的多個邊界都有響應。當在環(huán)境中添加與邊界細胞編碼的墻壁平行的新墻壁時，邊界細胞在新增墻壁處增加一個位置野(圖3D-E)。邊界細胞中編碼相鄰邊界的細胞在其它環(huán)境中依然在相鄰邊界放電，這與頭朝向細胞相似，表明邊界細胞同頭朝向細胞一樣形成了穩(wěn)定的循環(huán)網(wǎng)絡[56]。幼鼠在第一次離巢時就可檢測到穩(wěn)定的邊界細胞和頭朝向細胞[57]，表明邊界細胞和頭朝向細胞在動物空間認知系統(tǒng)形成過程中起著基礎性的作用。
【參考文獻】：
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. 計算機學報. 2016(01)
[2]身在何處——2014年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎介紹[J]. 汪云九. 自然雜志. 2014(06)
本文編號：3006512
【文章來源】：人工智能. 2020,(01)
【文章頁數(shù)】：16 頁
【部分圖文】：
哺乳動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等人在自由運動狀態(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的錐體細胞，該類神經(jīng)細胞只在大鼠運動到特定區(qū)域時放電（圖2B），稱為位置細胞(Place Cell)[9]。圖2B中黑色曲線是大鼠在實驗環(huán)境中的運動軌跡，每一個紅點表示該細胞放電時動物所處的位置。放電強烈的區(qū)域稱為該位置細胞的位置野(Place Field)。位置野的位置和大小因細胞而異，起到記憶環(huán)境中特定位置的作用。位置細胞群體組成了一個表征動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環(huán)境空間，構(gòu)成了大腦對外部環(huán)境的認知地圖，即環(huán)境格局在神經(jīng)系統(tǒng)中的表達。位置細胞也同樣存在于小鼠、蝙蝠[10]、猴子[11]和人[12]的大腦中。動物首次進入新環(huán)境時，位置細胞可在幾分鐘內(nèi)形成新的穩(wěn)定的放電模式[13]。位置細胞的放電模式具有穩(wěn)定性，去掉光照后細胞的放電模式在黑暗中依然存在。當動物在數(shù)天甚至數(shù)月后重新進入該環(huán)境時，放電模式基本保持原樣[14]。位置細胞在新環(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]，表明海馬體對環(huán)境的編碼形成后可以不依賴于外部的感知信息，認知地圖可能是由多個子圖（Multichart）組成，每個子圖形成獨立的吸引子網(wǎng)絡。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)時細胞的放電位置不變，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)時位置細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立，導致群體向量相互正交(Orthogonal)。全局重構(gòu)常伴隨于環(huán)境變化較大或動物進入新環(huán)境時。全局重構(gòu)時，如果某個位置細胞在兩個環(huán)境中均放電,則兩個位置野間沒有對應關系，某個位置細胞在一個環(huán)境中存在位置野,不能預測在下一環(huán)境中是否存在位置野。
2008年，邊界細胞的存在被兩個實驗室證實[55,56](圖3)。邊界細胞同柵格細胞、頭朝向細胞一起共存于內(nèi)嗅皮層、前下托和傍下托中。當動物處于封閉環(huán)境的某個邊界附近時，表達該邊界的邊界細胞放電頻率增強(圖3A)，挪動該墻壁，則該細胞放電野跟隨墻壁移動(圖3B),延長該墻壁，該邊界細胞的位置野仍能鋪滿該墻壁(圖3 C)。邊界細胞對環(huán)境的多個邊界都有響應。當在環(huán)境中添加與邊界細胞編碼的墻壁平行的新墻壁時，邊界細胞在新增墻壁處增加一個位置野(圖3D-E)。邊界細胞中編碼相鄰邊界的細胞在其它環(huán)境中依然在相鄰邊界放電，這與頭朝向細胞相似，表明邊界細胞同頭朝向細胞一樣形成了穩(wěn)定的循環(huán)網(wǎng)絡[56]。幼鼠在第一次離巢時就可檢測到穩(wěn)定的邊界細胞和頭朝向細胞[57]，表明邊界細胞和頭朝向細胞在動物空間認知系統(tǒng)形成過程中起著基礎性的作用。
【參考文獻】：
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. 計算機學報. 2016(01)
[2]身在何處——2014年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎介紹[J]. 汪云九. 自然雜志. 2014(06)
本文編號：3006512
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