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2023

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斯坦福生物工程学家模仿“人脑”造“硅脑”





实验装置:神经形态芯片装置在客户端印刷电路板(PCB)上。芯片的活动通过硅神经中枢连接在电脑上演示。用户选定的细胞的状态在观测仪器上显示。


  “不同于大多数的神经科学实验室,斯坦福大学Kwabena  Boahen的实验室一尘不染——没有散落一地的吸液管或者摆放混乱的试剂瓶。相反,实验室长椅上仅有一个装着特殊芯片的长电路板。”  美国麻省理工学院(MIT)《技术评论》(Technology  Review)杂志的生物技术和生命科学编辑Emily  Singer这样写道。在《技术评论》5月、6月刊上,Singer介绍了斯坦福大学工程学和医学学院生物工程副教授Boahen对于“硅脑”的研究。

  据《技术评论》报道,虽然人数还不算太多,但现在确实有越来越多的科学家和工程师使用一个称之为“神经形态建成”(neuromorphing)的过程来建造复杂电路,想要模拟人类神经回路的行为。Boahen便是其中之一。普通电脑芯片的晶体管都是为了满足高处理速度而设计的,但是Boahen的微处理器却是为了模仿神经的电属性而设计的。这些晶体管在实验中充当了视网膜、耳蜗甚至是海马区细胞的角色。

  在Boahen实验室的主页上,研究人员表示,设计这些芯片有两个目的。第一,理解大脑如何工作,最终设计出损伤神经的替代品,如人工视网膜等。第二,制造出可以像人脑一样工作的电脑,大大增加电脑的计算能力。因此这种芯片被称为“硅脑”。

  通过建立模型,可以了解现在的实验技术无法了解到的情况。“大脑工作的技术和概念途径都很新奇,我们应该探索其中的原因。”瑞士苏黎士神经信息学研究所的Rodney  Douglas教授表示,“人脑不费力气就可以解决的电子仪器也解决不了的问题。了解其中原委的方法就是开发同样原理的硬件。”这种方法比软件模拟更有效,因为可以直接通过电子流仿效离子流。

  实验室网页还详细介绍了实验方法。首先分析神经生物学数据,然后开发神经模型,设计多神经元芯片,最终检验芯片,细化假设。这项工作的实现借用了大脑各部分的解剖学图表,这些图表是由全世界的神经学家花费数年时间,通过艰苦的动物研究获得的。

  形成记忆是人脑所有令人匪夷所思的能力之一。神经科学家为此已经着迷了数年。这个能力可能和海马区有关,因为海马区的受伤会导致健忘症。对于海马区里神经和大脑其他部位的大量研究初步揭示了神经行为如何产生记忆。神经元将信息编码成电子脉冲,传送到其他神经元。当两个连接在一起的神经元连续、重复产生冲动,它们之间的连接就加强了,因此第一个冲动引发了第二个冲动。当这个被称为赫布型学习(Hebbian  learning)的过程在多个相邻的细胞中发生时,它就在不同的神经元中建立了连接网络,用以编码和连接信息。

  据介绍,为了更好地理解人脑工作机制,Boahen和他的研究生John  Arthur开发了一种芯片,安放在海马区叫做CA3的细胞层上。它处在另外两层细胞层中,一层从大脑皮层接受输入,一层把信息再次送出。CA3层被认为是产生记忆的部位,在那里信息被储存和连接起来。Boahen指着一张芯片的结构图解释道,芯片上每个模型细胞都是由一群模仿神经元电子活动的晶体管组成的。硅细胞按32乘32的方阵排列,其中每个都和相邻的21个细胞微弱地连接着。

  然而,据Boahen介绍,芯片有能力模仿赫布型学习发生时神经元的作为,改变连接的强度。硅细胞监测它们的邻居何时冲动。如果一个细胞紧随着它相邻的细胞产生冲动,那么按照程序设定,这两个细胞之间的连接就加强了。

  Arthur是Boahen实验室的博士后。他向Singer演示了芯片的记忆能力。首先,他从笔记本电脑上给芯片发送电子信号,电脑同时记录了芯片硅神经的输出。他重复引发在方正中形成U形的那些神经元的活动,并以电脑屏幕上闪烁的灯光表示芯片中的这些活动。通过灯光发现,组成U形的神经元之间的联系逐渐增强了——芯片学会了这种模式。然后,Arthur仅仅引发U形左上角的活动时,屏幕上的灯光自发地重构了剩下的部分。也就是说,芯片有效回忆起了U形剩下的部分。

  斯坦福的研究人员计划增加芯片的电路,这样就可以模拟海马区齿状层,这层负责从皮层接受信号然后把信号送到CA3层。研究人员希望通过这个模型实现更复杂的记忆。“给它一个A,我们希望它可以回忆起整个字母表。”Boahen说。

  研究小组同时也在发展其他神经形态芯片。如大脑皮层模型,这将是迄今为止最宏伟的计划。大脑皮层是人脑中最后进化的部位,它让人类可以理解语言、形成认知、计划将来等。最先设计出的模型包括16个芯片,每个芯片都包含了256乘256个硅神经元。

  计算神经学家Terry  Sejnowski认为Boahen站在了时代的前端,因为他既要制造出更好的芯片,又要更好地理解大脑。

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