展开菜单
首页 精品内容 本月促销 装机必备 Windows PDF教程 macOS软件 IOS软件 Android AI 专题
全部分类

当前位置:

首页 > 业界资讯 > 大脑里真有ResNet!全球首张「果蝇大脑连接组」面世:耗费十余年,重建三千神经元,超50万突触!

大脑里真有ResNet!全球首张「果蝇大脑连接组」面世:耗费十余年,重建三千神经元,超50万突触!

虽说现代的深度学习早已脱离对「生物神经网络」的模仿,但了解生物大脑的运行机制,对于神经网络模型的未来发展仍然很有帮助。大脑回路的结构方式影响着大脑的计算能力,但到目前为止,除了在一些非常简单的生物体中,仍然还没有看到任何大脑的具体结构。去年11月,来自剑桥大学、约翰霍普金斯大学、珍利亚研究园区等多家顶尖机构的研究人员在Biorxiv上传了一篇论文,经过十余年的艰苦研究,首次完整地对「果蝇幼虫」的大脑连接组进行重建。论文链接:​https://www.science.org/doi/10.1126/scie

本文目录

    虽说现代的深度学习早已脱离对「生物神经网络」的模仿,但了解生物大脑的运行机制,对于神经网络模型的未来发展仍然很有帮助。

    大脑回路的结构方式影响着大脑的计算能力,但到目前为止,除了在一些非常简单的生物体中,仍然还没有看到任何大脑的具体结构。

    去年11月,来自剑桥大学、约翰霍普金斯大学、珍利亚研究园区等多家顶尖机构的研究人员在Biorxiv上传了一篇论文,经过十余年的艰苦研究,首次完整地对「果蝇幼虫」的大脑连接组进行重建。

    大脑里真有ResNet!全球首张「果蝇大脑连接组」面世:耗费十余年,重建三千神经元,超50万突触!

    论文链接:​https://www.science.org/doi/10.1126/science.add9330​

    3月10日,相关成果发表在《科学》杂志上。

    论文作者之一,来自约翰霍普金斯大学的副教授Joshua Vogelstein 表示,果蝇在许多方面比其他生物更接近人类的大脑,有些区域对应于决策,有些区域对应于学习,有些区域对应于导航;并且果蝇幼虫的大脑和人类也分为左右两边。

    在对果蝇大脑的分析中还可以发现一些现代神经网络中的结果,比如循环神经网络、多层网络之间的快捷路径(残差网络ResNet)等,或许能启发对机器学习模型的改进。

    好消息:重建的果蝇幼虫的大脑连接组包括3016个神经元

    坏消息:人有860亿个神经元。

    完整重建果蝇幼虫大脑

    大脑主要由「神经元细胞」构成,相邻的神经元可以在突触细胞之间的连接处互相发出信号,其中一个神经元释放「神经递质」,另一个神经元负责接收这种化学物质,大脑的神经元和突触的完整图谱被称为连接组(connectome),研究连接组对于理解大脑如何产生行为至关重要。

    重建连接组的主要流程是将大脑切割成超薄(20微米)的切片,然后用电子显微镜的电子流对切片进行成像,比如要把盐粒大小的果蝇幼虫大脑切成几千片,稍有差池,就得从头再来。

    大脑里真有ResNet!全球首张「果蝇大脑连接组」面世:耗费十余年,重建三千神经元,超50万突触!

    对于一些简单的生物来说,构建完整的连接组还相对容易,第一个完整绘制的是秀丽隐杆线虫,整个身体只有302个神经元,在上世纪80年代即完成绘制。

    但到目前为止,研究人员也仅为三个有机体绘制了完整的突触连接组,每种生物只有数百个大脑神经元。

    2020年时,谷歌和珍利亚研究园区的研究人员曾发布过一个果蝇的大脑连接组3D模型,包含25,000个果蝇神经元,这些神经元跨越不同的细胞类型和多个大脑区域,但该模型并不是一个完整的大脑,即便如此,该模型也只是包含一个成年果蝇10万个神经元中的四分之一。

    大脑里真有ResNet!全球首张「果蝇大脑连接组」面世:耗费十余年,重建三千神经元,超50万突触!

    还有一些研究小组正在研究脑部更大的动物的连接组,比如昆虫、鱼类、哺乳动物等,不过由于神经元数量太多,主要研究方法是对大脑进行分区后单独研究,会导致无法重建那些跨空间且相互连接的大脑区域。

    本次重建的完整连接组属于黑腹果蝇的幼虫,果蝇可以表现出非常丰富的行为,包括学习、价值计算和行为选择,并且与成年果蝇和较大的昆虫具有同源的大脑结构。

    大脑里真有ResNet!全球首张「果蝇大脑连接组」面世:耗费十余年,重建三千神经元,超50万突触!

    强大的遗传工具可用于选择性操纵或记录个别神经元类型,在易处理的(tractable)模型系统中,关于连接组揭示的特定神经元和回路基序的功能作用的假设可以很容易地得到检验。

    研究小组将一个「6小时大」的黑腹果蝇幼虫的大脑切割成4841片,并用高分辨率电子显微镜进行扫描,将成像数字化后再重新组合成一张三维图像;在计算机分析的辅助下,最终生成的图谱包含3016个神经元和54.8万个突触。

    残差网络暗藏其中

    研究人员对大脑回路(circuit)结构进行了详细的分析,包括连接和神经元类型、网络中枢(network hubs)和神经回路图。

    大脑输入输出中枢(in-out hubs)中大部分(73%)是「对学习中心的突触后中枢」或「对驱动学习的多巴胺能神经元的突触前中枢」;使用图谱嵌入(graph spectral embedding)技术将基于突触连通性的分层聚类神经元分为93种类型,这些类型在基于形态学和功能等其他特征上具有内部一致性。

    研究人员还开发了一种算法来跟踪大脑多突触通路中的信号传播,并分析了前馈(从感觉到输出)和反馈通路(feedback pathways)、多感官整合(multisensory integration)和跨半球的反应(cross-hemisphere interactions)。

    大脑里真有ResNet!全球首张「果蝇大脑连接组」面世:耗费十余年,重建三千神经元,超50万突触!

    在大脑中发现了广泛存在的多感官整合,以及从感觉神经元到输出神经元不同深度的多条相互关联的通路,形成了一个分布式的处理网络。

    大脑具有高度循环(recurrent)结构,41% 的神经元接受长程循环输入,不过循环的分布并不均匀,在涉及学习和行动选择的领域循环率特别高。

    驱动学习的多巴胺能神经元是大脑中最常见的神经元之一。

    大脑里真有ResNet!全球首张「果蝇大脑连接组」面世:耗费十余年,重建三千神经元,超50万突触!

    有许多对侧神经元(contralateral neurons)投射到大脑两半球,它们是进出中枢(in-out hubs),彼此之间相互突触,促进了大脑两半球之间的广泛交流;文中还分析了大脑和神经之间的相互作用。

    研究人员发现,下行神经元(descending neurons)的目标是一小部分前运动元件(premotor elements),其在运动状态(locomotor states)切换中扮演着重要的作用。

    结论

    果蝇幼虫完整的脑连接组将在很长一段时间内为其他脑功能理论和实验研究提供基础,这项研究中产生的方法和计算工具将促进未来连接体的分析。

    尽管动物王国中大脑组织的细节各不相同,但许多神经回路结构是守恒的。

    随着未来绘制更多其他生物的大脑连接组,不同连接组之间的比较将揭示常见的、可能是最佳的回路结构,以及生物体之间行为差异的特质。

    在果蝇幼虫大脑中观察到的一些结构特征,包括多层shortcuts和显着的嵌套循环,都能够在最先进的人工神经网络中发现,或许可以弥补当前网络在深度、处理任务泛化上的问题,这些特征也可以增加大脑的计算能力,克服神经元数量的生理限制。

    未来对大脑和人工神经网络之间的相似和差异的分析可能有助于理解大脑的计算原理,并可能启发新的机器学习架构。

    相关评论

    英国埃克塞特大学神经科学教授加什帕尔·耶凯伊表示,大脑的所有神经元都被重建,并且所有神经连接都得到了分析。他称这项工作「非常重要」。

    美国哈佛大学的凯瑟琳·杜拉克认为,这些数据揭示了这些神经元连接的「深层逻辑」。

    不过,纽约爱因斯坦医学院的斯科特·埃蒙斯认为,仅仅绘制出突触并不能提供全貌。

    埃蒙斯于2019年绘制出了雌雄两性的秀丽隐杆线虫的连接组,神经元还可以通过荷尔蒙等缓慢释放的化学物质以及细胞之间的其他连接(即缝隙连接)相互交流。

    所有这些都必须考虑在内,但新绘制的连接组中只包括突触。

    本站声明:本文内容由网友自发贡献,版权归原作者所有,本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容,请联系bd@zhengruan.com
    作者最新文章
    业界资讯 神经网络
    相关文章 更多
    精品专题 更多
    装机必备

    正软商城装机必备专区,精选办公、浏览器、安全防护、影音播放、压缩解压、设计创作和系统工具等电脑常用正版软件,帮助用户快速完成新电脑软件配置。

    Windows

    正软商城Windows软件专区,汇集适用于Windows电脑的办公、设计、安全防护、影音播放、开发工具和系统优化软件,提供软件介绍、系统要求、正版授权及购买下载服务。

    PDF教程

    正软商城PDF教程频道提供PDF编辑、转换、合并、拆分、压缩及格式处理方法,同时介绍常用PDF软件和工具的使用技巧。

    macOS软件

    正软商城macOS软件专区,精选适用于Mac电脑的办公、设计、影音、效率、开发和系统工具,提供软件功能介绍、macOS兼容版本、正版授权及购买下载服务。

    IOS软件

    正软商城iOS软件专区,精选适用于iPhone和iPad的办公、学习、影音、设计、效率及AI应用,提供功能介绍、适用设备、系统要求和正版获取方式等信息。

    AI

    正软商城AI软件专区,汇集AI写作、AI绘画、AI视频、AI办公、AI编程、AI翻译、智能客服和数据分析等人工智能工具,提供功能介绍、适用平台、收费方式及正版购买信息。

    Mac软件 更多
    Aperty macOS版
    Aperty macOS版

    Aperty 是 Skylum 推出的 AI 人像修图软件,支持自然肤质修饰、瑕疵处理、面部与身体调整、预设及批量同步。

    火山引擎 网页版
    火山引擎 网页版

    火山引擎是字节跳动旗下企业级云与AI服务平台。聚焦大模型核心能力,依托字节自研豆包多模态大模型,凭借火山方舟一站式平台,提供模型精调、推理部署、智能应用搭建等全链路服务,结合高性能AI算力,助力各行业快速落地大模型数字化与智能化应用。

    立刻MV 网页版
    立刻MV 网页版

    立刻MV 面向音乐人、内容创作者和品牌团队,帮助用户低成本完成歌曲 MV、歌词视频、AI 分镜、图生视频与最终合成。

    蛙蛙写作 网页版
    蛙蛙写作 网页版

    蛙蛙写作 AI 创作工具,覆盖小说、剧本、文案,一键生成文稿,打通文字转视频全流程,高效解决创作难题。

    讯飞智作 网页版
    讯飞智作 网页版

    讯飞智作是一款基于语音合成技术、虚拟人驱动技术与数字人形象声音构建能力的 AI 数字人音视频创作平台。

    超级简历WonderCV 网页版
    超级简历WonderCV 网页版

    超级简历WonderCV是面向应届生和AI小白的智能求职平台,覆盖简历、面试与职业规划。

    音述AI 网页版
    音述AI 网页版

    音述AI,是一个以“用声音述说故事”为核心的 AI 音乐创作与声音分享社区。

    AionClaw macOS版
    AionClaw macOS版

    AionClaw 是可在桌面端运行的任务型 AI 助手,通过数字专家与技能市场组合办公、创作、数据和开发能力。

    Loomy macOS版
    Loomy macOS版

    Loomy 是科大讯飞推出的桌面 AI 助手,可通过对话、任务与工作目录协助处理办公、内容创作和资料整理。

    AirBuddy 3 macOS版
    AirBuddy 3 macOS版

    AirBuddy 3 是面向 macOS 的蓝牙外设增强工具,可集中查看 AirPods、Beats 与苹果设备电量,提供快速连接、播放控制、电量提醒、桌面小组件和多台 Mac 外设接力等功能。

    AirServer macOS版
    AirServer macOS版

    AirServer macOS版可把 Mac 转换为无线投屏接收端,通过 AirPlay 或 Google Cast 接收手机、平板和电脑画面,并支持多设备同时连接、高清镜像及会话录制,适合家庭娱乐、课堂教学、会议演示和应用展示。

    AnyDesk macOS版
    AnyDesk macOS版

    AnyDesk macOS版是一款适用于远程办公、设备维护和客户支持的远程桌面工具,可连接并操作异地计算机,支持文件传输、无人值守访问、会话权限控制及跨平台协作。

    WINDOWS 更多
    讯飞绘文 网页版
    讯飞绘文 网页版

    讯飞绘文网页版是科大讯飞推出的AI图文创作与内容运营工具,覆盖热点选题、文章生成、稿件校对、智能配图、排版发布和数据复盘等环节,适合自媒体创作者及内容团队在线使用。

    Maya(Autodesk Maya) Windows版
    Maya(Autodesk Maya) Windows版

    Autodesk Maya 是面向影视、电视、动画和游戏行业的专业三维制作软件,集多边形与 NURBS 建模、角色绑定、关键帧和动作捕捉动画、Bifrost 特效模拟、材质开发及 Arnold 渲染于一体,

    Aperty Windows版
    Aperty Windows版

    Aperty 是 Skylum 推出的 AI 人像修图软件,支持自然肤质修饰、瑕疵处理、面部与身体调整、预设及批量同步。

    火山引擎 网页版
    火山引擎 网页版

    火山引擎是字节跳动旗下企业级云与AI服务平台。聚焦大模型核心能力,依托字节自研豆包多模态大模型,凭借火山方舟一站式平台,提供模型精调、推理部署、智能应用搭建等全链路服务,结合高性能AI算力,助力各行业快速落地大模型数字化与智能化应用。

    立刻MV 网页版
    立刻MV 网页版

    立刻MV 面向音乐人、内容创作者和品牌团队,帮助用户低成本完成歌曲 MV、歌词视频、AI 分镜、图生视频与最终合成。

    蛙蛙写作 网页版
    蛙蛙写作 网页版

    蛙蛙写作 AI 创作工具,覆盖小说、剧本、文案,一键生成文稿,打通文字转视频全流程,高效解决创作难题。

    讯飞智作 网页版
    讯飞智作 网页版

    讯飞智作是一款基于语音合成技术、虚拟人驱动技术与数字人形象声音构建能力的 AI 数字人音视频创作平台。

    超级简历WonderCV 网页版
    超级简历WonderCV 网页版

    超级简历WonderCV是面向应届生和AI小白的智能求职平台,覆盖简历、面试与职业规划。

    音述AI 网页版
    音述AI 网页版

    音述AI,是一个以“用声音述说故事”为核心的 AI 音乐创作与声音分享社区。

    AionClaw Windows版
    AionClaw Windows版

    AionClaw 是可在桌面端运行的任务型 AI 助手,通过数字专家与技能市场组合办公、创作、数据和开发能力。

    Loomy Windows版
    Loomy Windows版

    Loomy 是科大讯飞推出的桌面 AI 助手,可通过对话、任务与工作目录协助处理办公、内容创作和资料整理。

    AirServer Windows版
    AirServer Windows版

    AirServer Windows版可把电脑变成AirPlay、Google Cast和Miracast无线投屏接收端,适合会议演示、课堂教学及家庭大屏分享。发送设备通常无需另装客户端,并可同时接收和智能排列多个镜像会话。