人造神經(jīng)“復(fù)制”大腦多感官整合功能

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記者20日從南開(kāi)大學(xué)獲悉，該校電子信息與光學(xué)工程學(xué)院徐文濤教授團(tuán)隊(duì)受獼猴多感官整合與空間感知機(jī)制啟發(fā)，開(kāi)發(fā)了一種人造運(yùn)動(dòng)感知神經(jīng)，在硬件層面上成功實(shí)現(xiàn)了大腦的多感官整合功能，獲得了卓越的運(yùn)動(dòng)感知性能。該成果近日發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》。

據(jù)介紹，大腦多感官整合是一個(gè)將不同模態(tài)感官信息進(jìn)行結(jié)合的過(guò)程，它對(duì)于許多生物完成決策、記憶和學(xué)習(xí)等任務(wù)至關(guān)重要。例如，大黃蜂可同時(shí)利用視覺(jué)和觸覺(jué)信息識(shí)別物體，星鼻鼴鼠在無(wú)光的地下環(huán)境中可使用觸覺(jué)—嗅覺(jué)協(xié)同感知方式對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行探索。

“多感官整合機(jī)制依賴高度并行且異步觸發(fā)的神經(jīng)元和突觸網(wǎng)絡(luò)。”徐文濤介紹，為了實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元和突觸的基本功能，近年來(lái)神經(jīng)形態(tài)器件獲得了廣泛關(guān)注與研究。然而，與大腦多感官整合機(jī)制相關(guān)的高級(jí)功能仍需在神經(jīng)形態(tài)器件和系統(tǒng)中得到開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證。此外，如何從硬件層面在神經(jīng)形態(tài)器件中實(shí)現(xiàn)認(rèn)知智能與類腦智能也是亟待解決的難題。

a 哺乳動(dòng)物具有的視覺(jué)神經(jīng)/前庭神經(jīng)跨模態(tài)運(yùn)動(dòng)感官系統(tǒng);b 基于柔性突觸晶體管的神經(jīng)形態(tài)運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)。(南開(kāi)大學(xué)提供)

此次開(kāi)發(fā)的人造運(yùn)動(dòng)感知神經(jīng)設(shè)計(jì)受獼猴多感官整合與空間感知機(jī)制啟發(fā)。“獼猴的自主運(yùn)動(dòng)會(huì)在內(nèi)耳前庭和視網(wǎng)膜中激發(fā)慣性信號(hào)和光流信號(hào)等運(yùn)動(dòng)信息，大腦皮層的特定區(qū)域?qū)幋a為尖峰脈沖的運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行處理識(shí)別后，最終通過(guò)整合不同感官模態(tài)的信息實(shí)現(xiàn)空間感知。”徐文濤說(shuō)，在神經(jīng)形態(tài)運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)脈沖平均發(fā)放率和突觸器件輸出電流進(jìn)行判定，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)信號(hào)的分類識(shí)別。

利用光流傳感器、振動(dòng)觸覺(jué)傳感器、慣性傳感器構(gòu)建傳感單元，該人造神經(jīng)可檢測(cè)視覺(jué)、觸覺(jué)、加速度覺(jué)多個(gè)模態(tài)的傳感信息。對(duì)來(lái)自不同類型傳感器的信息進(jìn)行有效整合，可顯著提升運(yùn)動(dòng)識(shí)別的準(zhǔn)確率(高于94%)，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合大腦的感知增強(qiáng)效應(yīng)。

“從本質(zhì)上講，該人造神經(jīng)模擬了哺乳動(dòng)物大腦中感官線索整合的過(guò)程，并結(jié)合傳感信號(hào)的脈沖編碼策略、突觸器件的脈沖整合特性、突觸電流信號(hào)的時(shí)空識(shí)別方法實(shí)現(xiàn)了類腦水平的運(yùn)動(dòng)感知功能。”徐文濤表示，該工作將神經(jīng)形態(tài)認(rèn)知智能與大腦多模態(tài)感知機(jī)制相結(jié)合，對(duì)于類腦器件、仿生電子的開(kāi)發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義，可潛在應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人、智能可穿戴設(shè)備、人機(jī)交互等領(lǐng)域。

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