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陈娟:类脑智能,挖掘与学习大脑的无限潜能|硅步听觉篇
发布日期:2020-11-28 11:12
本文作者:陈娟博士,华南师范大学教授,硅步机器人研究员

类脑智能依赖于对大脑的了解,但是大脑的功能并不是一成不变的,而是具有短时适应性(分秒级别)和长时(几天到几年)可塑性,甚至不同感知皮层的功能也可以发生完全重组。本文将对大脑功能的可塑性和功能重组,从听觉角度,进行简要介绍。

人类大脑包含约1000亿个神经元,能产生100多万亿个连接,是一个非常复杂的系统,这样一个复杂的系统决定了我们人类可以自然流畅地完成各种复杂动作和运动、完成对外部世界的知觉、注意、记忆和思维等认知过程。类脑智能的目的是向大脑学习,模仿人类神经系统的工作原理,开发出快速、可靠、低耗的运算技术。但是人脑的计算功能并不是一成不变的,短时间的适应和长时间的学习、损伤后引起的功能重组都会改变大脑的功能。

短时间的适应的例子很多,比如当我们看向下流水的瀑布几秒钟之后,再看静止的物体,就会觉得静止的物体是在向上运动。稍微长一点的可塑性的例子包括知觉学习和运动学习。研究表明,经过一周的学习,人的面孔加工脑区的活动性和信号的信噪比就会发生变化。经过大概一个月的学习,人的视觉加工的皮层下核团外侧膝状体的活动性就会增强。甚至有研究表明,玩视频游戏也会影响人的视觉敏感性。



关于长时程大脑功能重组,最极端的例子是盲人视皮层的功能改变。下面的视频的主人公Ben是一个三岁时眼球就被摘除的盲人,他虽然眼睛不能接受任何输入,但是使用回波定位(echolocation)这一类似于蝙蝠的特异功能,他可以用“声音”看世界。日常生活中,他使用唇部发出哒哒哒的声音,然后根据声音的回波,他可以识别物体的形状、大小、位置、可以回避障碍物,可以打篮球、骑自行车,甚至可以识别物体的材质。正常人一般只能看到头前面的画面,但是通过回波他可以“看”到身后和头顶的世界。

视频中说Ben是世界上唯一一个可以用回波来“看”世界的人,事实上并不是。最早在1749就有盲人能识别物体的报道。很多盲人都可以被动地使用自然环境中的回波来感知环境的细节,尤其是在障碍物回避时。其中一些人会用唇部主动发声来产生回波。无论主动还是被动都可以帮助盲人识别外部世界。视力正常的人(非盲人)由于主要通过视觉来感知世界,因此很少注意到周围物体产生的回波。但是通过训练,正常人也可以通过回波来回避障碍物,即产生回波定位能力。



( "Ben Underwood | Blind Boy Who Could See")

神经学家认为,人的任何行为都是和大脑的特定功能相联系的,都有其生物学基础那这种没有视觉输入,但是可以根据声音的回波“看”世界的人的大脑功能是否和正常人一样呢?是不是大脑功能已经发生了变化呢?2011年加拿大西安大略大学Goodale教授课题组(Thaler, Arnott, Goodale, 2011)开展了一项实验,旨在研究盲人的回声定位的神经机制。他们记录了四位被试(早期失明的盲人被试、14岁时失明的盲人,以及两名正常人)在听到回波时的脑活动。

(图 1 能使用回波定位的盲人在听到回波时,大脑的视觉皮层激活,听觉皮层没有显著激活。而控制组在听到同样的回波时,听觉和视觉皮层都没有激活。)

令人惊讶的是,研究结果发现,早期致盲的回波定位者在听到回波时,初级视皮层表现出较常人更强烈的回声定位的特异性活动,但是听觉皮层并没有激活。14岁致盲的回波定位者的大脑也具有类似的活动,但是并没有早期致盲者强烈。而视力正常的控制组无论视皮层还是听皮层都没有激活。这意味着,由于没有视觉输入,回波定位盲人的视觉皮层不能加工视觉信号,闲置的视觉皮层逐渐发生了功能转变,开始加工声音回波。

人们普遍认为视觉皮层只能加工视觉信号,听觉皮层只能加工听觉信息。这项研究挑战了人们的传统观点,认为对特定人群皮层的功能是可以发生重组的。事实上,人们还发现盲人在通过触摸读盲文的时候,他们的视觉皮层也会大片激活。大脑功能随环境的适应性和极端情况下的功能重组,使我们人类能够更好地适应复杂多变的外界环境。

硅步机器人建立了以国家特聘专家Melvyn  Goodale博士(加拿大皇家学会院士、英国皇家学会院士、加拿大高等研究院院士)为首席科学家的研发团队,来自机器人、深度学习、认知神经科学、计算机等多个专业领域,专注于类脑感知与智能检测关键技术的开发。

相关文献:

Bi, T., Chen, J., Zhou, T., He, Y., & Fang, F. (2014). Function andstructure of human left fusiform cortex are closely associated with perceptuallearning of faces. Current Biology, 24(2), 222-227.

Yu, Q., Zhang, P., Qiu, J., & Fang, F. (2016). Perceptual learningof contrast detection in the human lateral geniculate nucleus. Current Biology,26(23), 3176-3182.

Li, R., Polat, U., Makous, W., & Bavelier, D. (2009). Enhancing thecontrast sensitivity function through action video game training. Natureneuroscience, 12(5), 549-551.

Thaler, Lore (2015-11-25). "Using Sound to Get Around - Associationfor Psychological Science". Aps Observer. 28 (10). Retrieved 2016-04-22.

Wallmeier, Ludwig; Geßele,Nikodemus; Wiegrebe, Lutz (2013-10-22). "Echolocation versus echosuppression in humans". Proceedings of the Royal Society of London B:Biological Sciences. 280 (1769): 20131428.

Thaler L, Arnott SR, Goodale MA (2011). "Neural correlates ofnatural human echolocation in early and late blind echolocation experts".PLOS ONE. 6 (5): e20162.

Kish,Daniel (1995), Evaluation of an Echo-MobilityProgram for Young Blind People,Master's thesis, San Bernardino, CA: Department of Psychology, California StateUniversity, p. 277, archived from the original onFebruary 2, 2002

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