空间记忆与类脑导航研究进展
发布时间：2021-01-29 07:25
脑认知神经环路的连接图谱、编码模式、动力学过程、学习规则等信息处理机制,为构建人工智能系统提供了结构、算法和功能上的依据,从而为人工智能算法的发展提供系统化的理论框架。借鉴脑的信息处理的基本原则,开发脑启发算法、研制类脑智能系统,成为人工智能研究的重要方法和途径,在世界范围内逐步成为一个新兴的研究方向。脑科学对记忆神经环路的研究,初步揭示了动物在环境中导航的神经基础,为研究机器人的空间认知和智能导航系统提供了参考范例。本文对大脑内在的空间定位系统和类脑导航这一学科交叉领域做简要综述,通过回顾和展望,探讨发展基于理解型学习、具有可解释性和安全性的人工智能系统的可行性。
【文章来源】：人工智能. 2020,(01)
【文章页数】：16 页
【部分图文】：
哺乳动物视觉感知通路和海马体。A中的HC和ER区域分别为海马体和内嗅皮层，它们的内部连接结构由B图显示。
1971年，O"Keefe等人在自由运动状态下的大鼠的海马体(图2A)中，发现了具有特殊峰电位活动的锥体细胞，该类神经细胞只在大鼠运动到特定区域时放电（图2B），称为位置细胞(Place Cell)[9]。图2B中黑色曲线是大鼠在实验环境中的运动轨迹，每一个红点表示该细胞放电时动物所处的位置。放电强烈的区域称为该位置细胞的位置野(Place Field)。位置野的位置和大小因细胞而异，起到记忆环境中特定位置的作用。位置细胞群体组成了一个表征动物位置的稀疏群体向量(Population Vector)。成千上万的位置野覆盖了整个环境空间，构成了大脑对外部环境的认知地图，即环境格局在神经系统中的表达。位置细胞也同样存在于小鼠、蝙蝠[10]、猴子[11]和人[12]的大脑中。动物首次进入新环境时，位置细胞可在几分钟内形成新的稳定的放电模式[13]。位置细胞的放电模式具有稳定性，去掉光照后细胞的放电模式在黑暗中依然存在。当动物在数天甚至数月后重新进入该环境时，放电模式基本保持原样[14]。位置细胞在新环境中迅速形成新的放电模式的现象被称为编码重构(Remapping)[15]，表明海马体对环境的编码形成后可以不依赖于外部的感知信息，认知地图可能是由多个子图（Multichart）组成，每个子图形成独立的吸引子网络。编码重构存在两种形式，频率重构(Rate Remapping)和全局重构(Global Remapping)[16]。频率重构时细胞的放电位置不变，位置野内的放电频率改变，通常由环境的轻微变化所引起。全局重构时位置细胞的位置野的中心发生变化，放电模式与原放电模式相互独立，导致群体向量相互正交(Orthogonal)。全局重构常伴随于环境变化较大或动物进入新环境时。全局重构时，如果某个位置细胞在两个环境中均放电,则两个位置野间没有对应关系，某个位置细胞在一个环境中存在位置野,不能预测在下一环境中是否存在位置野。
2008年，边界细胞的存在被两个实验室证实[55,56](图3)。边界细胞同栅格细胞、头朝向细胞一起共存于内嗅皮层、前下托和傍下托中。当动物处于封闭环境的某个边界附近时，表达该边界的边界细胞放电频率增强(图3A)，挪动该墙壁，则该细胞放电野跟随墙壁移动(图3B),延长该墙壁，该边界细胞的位置野仍能铺满该墙壁(图3 C)。边界细胞对环境的多个边界都有响应。当在环境中添加与边界细胞编码的墙壁平行的新墙壁时，边界细胞在新增墙壁处增加一个位置野(图3D-E)。边界细胞中编码相邻边界的细胞在其它环境中依然在相邻边界放电，这与头朝向细胞相似，表明边界细胞同头朝向细胞一样形成了稳定的循环网络[56]。幼鼠在第一次离巢时就可检测到稳定的边界细胞和头朝向细胞[57]，表明边界细胞和头朝向细胞在动物空间认知系统形成过程中起着基础性的作用。
【参考文献】：
期刊论文
[1]类脑智能研究的回顾与展望[J]. 曾毅,刘成林,谭铁牛. 计算机学报. 2016(01)
[2]身在何处——2014年诺贝尔生理学或医学奖介绍[J]. 汪云九. 自然杂志. 2014(06)
本文编号：3006512
【文章来源】：人工智能. 2020,(01)
【文章页数】：16 页
【部分图文】：
哺乳动物视觉感知通路和海马体。A中的HC和ER区域分别为海马体和内嗅皮层，它们的内部连接结构由B图显示。
1971年，O"Keefe等人在自由运动状态下的大鼠的海马体(图2A)中，发现了具有特殊峰电位活动的锥体细胞，该类神经细胞只在大鼠运动到特定区域时放电（图2B），称为位置细胞(Place Cell)[9]。图2B中黑色曲线是大鼠在实验环境中的运动轨迹，每一个红点表示该细胞放电时动物所处的位置。放电强烈的区域称为该位置细胞的位置野(Place Field)。位置野的位置和大小因细胞而异，起到记忆环境中特定位置的作用。位置细胞群体组成了一个表征动物位置的稀疏群体向量(Population Vector)。成千上万的位置野覆盖了整个环境空间，构成了大脑对外部环境的认知地图，即环境格局在神经系统中的表达。位置细胞也同样存在于小鼠、蝙蝠[10]、猴子[11]和人[12]的大脑中。动物首次进入新环境时，位置细胞可在几分钟内形成新的稳定的放电模式[13]。位置细胞的放电模式具有稳定性，去掉光照后细胞的放电模式在黑暗中依然存在。当动物在数天甚至数月后重新进入该环境时，放电模式基本保持原样[14]。位置细胞在新环境中迅速形成新的放电模式的现象被称为编码重构(Remapping)[15]，表明海马体对环境的编码形成后可以不依赖于外部的感知信息，认知地图可能是由多个子图（Multichart）组成，每个子图形成独立的吸引子网络。编码重构存在两种形式，频率重构(Rate Remapping)和全局重构(Global Remapping)[16]。频率重构时细胞的放电位置不变，位置野内的放电频率改变，通常由环境的轻微变化所引起。全局重构时位置细胞的位置野的中心发生变化，放电模式与原放电模式相互独立，导致群体向量相互正交(Orthogonal)。全局重构常伴随于环境变化较大或动物进入新环境时。全局重构时，如果某个位置细胞在两个环境中均放电,则两个位置野间没有对应关系，某个位置细胞在一个环境中存在位置野,不能预测在下一环境中是否存在位置野。
2008年，边界细胞的存在被两个实验室证实[55,56](图3)。边界细胞同栅格细胞、头朝向细胞一起共存于内嗅皮层、前下托和傍下托中。当动物处于封闭环境的某个边界附近时，表达该边界的边界细胞放电频率增强(图3A)，挪动该墙壁，则该细胞放电野跟随墙壁移动(图3B),延长该墙壁，该边界细胞的位置野仍能铺满该墙壁(图3 C)。边界细胞对环境的多个边界都有响应。当在环境中添加与边界细胞编码的墙壁平行的新墙壁时，边界细胞在新增墙壁处增加一个位置野(图3D-E)。边界细胞中编码相邻边界的细胞在其它环境中依然在相邻边界放电，这与头朝向细胞相似，表明边界细胞同头朝向细胞一样形成了稳定的循环网络[56]。幼鼠在第一次离巢时就可检测到稳定的边界细胞和头朝向细胞[57]，表明边界细胞和头朝向细胞在动物空间认知系统形成过程中起着基础性的作用。
【参考文献】：
期刊论文
[1]类脑智能研究的回顾与展望[J]. 曾毅,刘成林,谭铁牛. 计算机学报. 2016(01)
[2]身在何处——2014年诺贝尔生理学或医学奖介绍[J]. 汪云九. 自然杂志. 2014(06)
本文编号：3006512
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