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是否有可能僅根據(jù)大腦信號(hào)，就完全重建某人所看到的內(nèi)容？瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研究人員朝著這個(gè)方向邁出了重要的一步，他們引入了一種新算法構(gòu)建的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，能以令人印象深刻的準(zhǔn)確度捕捉大腦動(dòng)態(tài)。該研究發(fā)表在最新一期《自然》雜志上。
這種新穎的機(jī)器學(xué)習(xí)算法——CEBRA植根于數(shù)學(xué)，可學(xué)習(xí)神經(jīng)代碼中的隱藏結(jié)構(gòu)。研究人員利用新算法進(jìn)行了演示。一只老鼠正在觀看1960年代的黑白電影片段，其中一名男子跑向一輛打開后備箱的汽車；在另一個(gè)屏幕上，人們可看到由CEBRA計(jì)算出的電影重建畫面，新構(gòu)建的電影幾乎與原版完全吻合，但有一些輕微的怪異扭曲。
CEBRA從原始神經(jīng)數(shù)據(jù)中學(xué)到的信息可在解碼訓(xùn)練后進(jìn)行測(cè)試。團(tuán)隊(duì)已證明他們可從模型中解碼老鼠在看電影時(shí)所看到的東西。但CEBRA不僅限于視覺皮層神經(jīng)元，甚至大腦數(shù)據(jù)，它還可用來預(yù)測(cè)靈長(zhǎng)類動(dòng)物手臂的運(yùn)動(dòng)，并重建老鼠在競(jìng)技場(chǎng)上自由奔跑時(shí)的位置。
用于視頻解碼的數(shù)據(jù)由艾倫腦研所提供，大腦信號(hào)是通過插入小鼠大腦視覺皮層區(qū)域的電極探針，直接測(cè)量大腦活動(dòng)而獲得，這些探針被設(shè)計(jì)成使激活的神經(jīng)元發(fā)出綠光。在訓(xùn)練期間，CEBRA學(xué)習(xí)將大腦活動(dòng)映射到特定幀。在以視覺皮層中不到1%的神經(jīng)元進(jìn)行測(cè)試時(shí)，CEBRA表現(xiàn)良好。
CEBRA基于對(duì)比學(xué)習(xí)技術(shù)，這是一種學(xué)習(xí)如何將高維數(shù)據(jù)排列或嵌入到低維空間的技術(shù)。與其他算法相比，CEBRA在重建合成數(shù)據(jù)方面表現(xiàn)出色，這對(duì)于比較算法至關(guān)重要。它的優(yōu)勢(shì)還在于它能夠跨模式組合數(shù)據(jù)，例如電影功能和大腦數(shù)據(jù)，并且它有助于限制細(xì)微差別，例如由數(shù)據(jù)收集方式帶來的數(shù)據(jù)變化。
【總編輯圈點(diǎn)】
CEBRA是揭示復(fù)雜結(jié)構(gòu)的“專家”。鑒于大腦就是最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這也可看作是CEBRA的終極測(cè)試空間。這一研究將幫助人們深入了解大腦處理信息的過程，成為人類發(fā)現(xiàn)神經(jīng)科學(xué)新原理的平臺(tái)。而該算法的實(shí)際意義還不僅限于此，它還能應(yīng)用于許多涉及時(shí)間或聯(lián)合信息的數(shù)據(jù)集，包括動(dòng)物行為、基因表達(dá)數(shù)據(jù)，以及進(jìn)一步為人們提供高性能腦機(jī)接口所需的理論支持。
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