模拟昆虫视觉-行为抉择的强化学习模型

视觉信息用于行为抉择的过程是一个极其复杂的脑信息处理过程,昆虫或动物对外界环境的学习是以价值来控制的,并可影响其行为抉择,研究这一过程对揭示人类自身脑运行机制有重要意义.文章在郭爱克研究小组果蝇实验提供的生物依据基础上,提出了一种模拟果蝇视觉-行为抉择的神经网络模型.该模型引入了价值和基于价值的强化学习算法,应用于输入视觉图像的强化学习,以此建立果蝇脑内多巴胺和蘑菇体对于抉择判断的价值体系.模拟的结果表明,该模型可以模拟果蝇视觉信息的学习和行为抉择过程,其结果与生物实验相符,同时也为机器人视觉信息控制行为抉择的应用提供了基础.     

果蝇在抉择过程中的行为修饰

在视觉操作条件化中, 果蝇具有惟一的行为输出——偏转扭矩, 扭矩输出参与了条件化的形成. 通过发展新的分析方法, 分析了果蝇在条件化过程中的扭矩分布模式. 果蝇扭矩分布模式的修饰过程反映了操作条件化对果蝇行为模式的影响. 先前的研究表明, 在果蝇的视觉操作条件化中, 面对矛盾的视觉线索时, 果蝇将依据不同线索的相对权重作出类似抉择的行为; 研究还表明, 果蝇脑内的蘑菇体结构在这种抉择中起重要作用. 通过对果蝇在这种类抉择行为中的扭矩输出进行“扭矩-位置分布”分析, 研究了在果蝇抉择过程中的行为模式的修饰过程. 利用这种扭矩分析方法, 得以从揭示果蝇行为模式的角度对果蝇操作式视觉联想式学习及抉择行为进行研究. 在对果蝇操作条件化中的视觉联想式学习过程、抉择过程以及行为模式修饰过程进行分析的同时, 也讨论了它们所涉及的可能不同的神经基础.     

朝向和对比度同时快速变化条件下的分辨能力

在自然的视觉中,投射到视网膜上的视觉图像总是在不停地变化,而人类的感知系统依然可以准确高效地识别物体.因此,人类的感知系统有相应的快速处理机制以应对这种动态变化．然而,前人的实验都是在相对稳定的刺激条件下研究人类被试的感知系统对一个刺激参数的反应,比如在固定对比度下测试朝向分辨能力,或在固定朝向测定对比度分辨能力,而朝向和对比度同时变化时,人类对这两个参数的分辨能力仍然缺乏研究．因此,在本实验中,我们使用朝向和对比度同时变化的刺激,研究了人类被试对朝向和对比度的分辨能力．结果表明,在这种动态变化的条件下,被试对朝向和对比度的分辨阈值都有显著性的降低．而且,朝向分辨阈值降低的幅度与在固定对比度参数条件下的分辨阈值成负相关,即在固定对比度条件下朝向分辨阈值较高的被试,在朝向和对比度同时变化条件下,其朝向分辨阈值降低的幅度相对要大,朝向分辨能力也就相对地提高更大．对比度分辨能力也呈现同样的规律．这些结果说明,朝向和对比度的同时变化提高了被试对朝向和对比度的分辨能力,一个参数变化时其分辨能力越低的被试,两个参数变化时其分辨能力提高的幅度就越大．揭示了视觉系统处理这种多刺激参量信息变化的能力和机制,对人类视觉系统在真实的视觉过程中如何处理朝向和对比度信息提供了认识．     

对比度检测学习提高猫的视觉对比敏感度

对人的心理学研究结果显示,对比度检测学习可提高学习者对视觉刺激的对比敏感度,但其潜在的神经机制尚不清楚。该研究用二选一（two-alternative forced choice）方法训练3只猫（Felis catus）通过单眼进行对比度检测学习,发现每只猫对视觉刺激的对比敏感度随着训练而显著提高。该学习效果虽然对训练眼有明显的特异性,但部分学习效果可以传递给非训练眼,提示对比度检测学习可能会引起双眼信息汇聚前后的视觉中枢的神经可塑性。另外,猫视觉对比敏感度的提高主要发生在训练刺激的空间频率附近,表明对比度检测学习具有一定的空间频率选择性。该研究结果显示,猫对视觉刺激的对比度检测学习表现出与人类相似的特性,因此可以作为模式动物来研究人类学习诱导的视觉对比敏感度升高的神经机制。     

自身运动感知中视觉-前庭整合的研究进展

日常生活中,机体利用自己的感官,以不同的感觉通路(视觉、听觉、味觉、嗅觉、触觉、前庭觉和本体觉等)获取环境中的信息以及自身相对于环境的信息,输入大脑进行加工处理,并作出反应。这些不同模态的感觉输入信息在大脑中存在跨模态(cross-modal,如视觉和听觉、听觉和嗅觉,甚至跨越三种或更多感觉模态信息)相互整合,从而对动物的感知、运动、学习记忆和决策等起着非常重要的作用。在过去的十几年里,多感觉整合研究领域吸引了一批学科交叉的科学研究人员,极大地推进了这一研究领域的发展。本文着重介绍自身运动感知过程中视觉和前庭信息整合机制的研究进展,分别从多感觉整合发生的脑区、神经元对多感觉信息的编码特性以及神经元活动与行为的关系三个方面进行综述,并对未来的研究方向进行展望。     

外侧杏仁核在恐惧性条件化学习和记忆中的作用

恐惧性条件化学习的行为范式是研究情绪信息编码和储存的神经生物学机制的一个重要手段。杏仁核,尤其是外侧杏仁核(lateral nucleus of amygdala,LA),在恐惧性条件化的建立、恐惧信息的表达,以及恐惧性事件信息的存贮过程中起着非常重要的作用。本文着重论述外侧杏仁核在恐惧性条件化学习过程中的神经可塑性变化和相关的LTP机制,以及决定这种可塑性变化的分子信号转导通路。     

人工视觉辅助系统：现状与展望

通过视觉获取图像信息是人类学习和生活的重要功能,失明则会显著降低其生活质量.因视网膜色素变性、青光眼和黄斑变性等疾病而造成后天失明者,以及由意外事故、战争等造成眼部创伤者,有可能通过人工视觉辅助系统的帮助恢复部分视觉,或者完成复杂的生活任务.一些盲症患者视觉通路的神经传导剩余部分依然有功能,因此可以借助电极阵列刺激视神经向大脑传递视觉信息,也可在大脑视觉皮层贴敷电极阵列的方法输入视觉信息.此外,还能借助体外装置,如通过人工智能将视觉转换成语音指令、触觉阵列编码等,帮助盲症患者获得环境信息.本文综述各类人工视觉辅助系统的现状,展望其发展趋势,并提出了新的植入器件与随身体外装置的新设想.     

生态智慧视野中的洪灾问题

生态智慧是在协调生态系统与人类福祉相互关系的过程中,以最小人工投入赢得最大生态效益的智慧。生态智慧更加接近中国传统思想中的"道",其要义是克服人类中心主义偏见和生态愚昧,"以道观物"、"以道驭术"。从生态智慧的高度看,没有天灾,只有人祸:所谓的洪灾只不过是自然规律的显现方式,是对人类价值规律的警示和启迪。生态智慧的核心是处理好人工改良与自然做功之间的辩证关系,达到自然规律与价值规律的合一,从而达到化水害为水利的目的。     

揭秘大脑里的“开关”

动物对不同的感觉刺激产生不同的行为反应,这对动物生存至关重要。关于其神经机制的研究,之前的工作多集中在感觉系统信息处理方面。但视觉刺激所包含的行为意义是怎样被大脑处理的,大脑处理后又如何根据刺激的行为意义调控行为的发生尚不清楚。为了更好地解析行为选择的神经机制,中国科学院神经科学研究所杜久林组姚园园等利用斑马鱼的逃跑环路为模型,研究了不同行为意义的视觉刺激引起不同行为反应的神经机制。首先,他们发现斑马鱼仅对危险性而非非危险性视觉刺激产生逃跑行为,且这一行为控制发生在视觉信息由视觉中枢向逃跑命令神经元传递的阶段(即视觉-运动信息转换阶段)。其次,发现下丘脑多巴胺能神经元和后脑甘氨酸能抑制性神经元组成"开关"样功能模块控制这一行为选择。进而,他们发现这一"开关"样功能模块对危险性和非危险性视觉刺激的不同控制是由这些神经元的视觉反应特性实现的。这一工作揭示了神经调质系统在行为选择中的作用,增加了人们对感觉–运动信息转换控制的认识。该工作发现的神经调质系统响应感觉刺激这一功能特点可能是大脑中一种普遍存在的神经机制,即神经调质系统接受和处理感觉刺激所携带的行为意义,进而通过调节感觉-运动神经通路,帮助动物作出相应的行为选择。这一工作为课题组提出的"Bi-modal Brain Function Hypothesis"提供了进一步的实验证据。     

眼睛传奇

人类是通过各种感觉系统感受到的外界信息,来认识自己身处的这个大千世界的。在感觉系统中,视觉系统是极其重要的。对我们来说,失去视力无疑是非常可怕的,科学家研究发现,在人体的感觉系统中,视觉系统占据着十分重要的地位,在传入人体大脑的信息中有大约     

上丘-丘脑枕结节-杏仁核视觉皮层下通路及其生物学意义

上丘-丘脑枕结节-杏仁核通路是哺乳动物脑内的视觉皮层下通路之一。近来的研究提示这条通路和情绪相关的视觉信息处理有关。本综述提出这条通路可能更多地涉及到个体的警戒而不是简单的早期视觉信息处理,并且讨论了其生物学意义。在早期视觉过程中,大脑检测的不是"空间位置",也不是"是什么物体",而是警告大脑的信号:"有情况出现!",使大脑进入一种警戒状态。这种警戒状态对物种生存至关重要。因此,我们认为在视觉早期,对物体"出现"和"消失"的检测较之"质地"和"形状"等特征信息收集等更为重要。拓扑知觉和皮层下通路的存在可能就是机体视觉警戒的神经基础。"警戒"可能正是皮层下通路存在的生物学意义之一。     

中国科学院生物物理研究所视觉信息加工开放研究实验室

视觉信息加工是一个十分复杂的过程,研究视觉信息的接收、传递、提取、识别以及学习与记忆的机制,对阐明大脑工作原理和智能计算机的研制都有重要意义。国外在这方面给予足够重视,并取得很大进展。国内的研究主要包括:视网膜及视中枢的神经回路,初级视觉过程,视觉的中枢机制,视觉的计算理论,视觉的心理物理学,视觉计算神经网络等方面。为促进我国研究工作的发展和培养人才,1988年11月,中国科学院组织国内有关专家对在生     

人眼视觉特性与电视图象

视觉是人的重要感觉,一半以上的外界信息是靠视觉得到的,几乎大脑各部位都可以得到某种视觉反应。人们对视觉特性的深入研究,不仅深化了人类自身的认识,而且推动了电视技术的发展。本文仅就视觉特性与电视图象几个主要的关系作粗浅的说明,旨在开拓生物教学的视野,激发学生学习的兴趣。 (一)视觉情性与每秒图象帧数当一个光脉冲突然作用于视网膜时,视觉系统对光强度感觉的增长和衰减要有一个短暂     

模型在“能量流动”教学中的应用

新课程标准强调学习是一个主动构建知识,发展能力、形成正确的情感态度与价值观的过程。阐述在"能量流动"的教学过程中,利用模型化方法引领学生实现预期学习目标的教学组织。     

主观轮廓感知在运动中的增强

主观轮廓现象的研究对于探讨人类视觉系统中物体识别的形成机制有着重要的意义. 众多研究表明, 在运动和体视中形成的主观轮廓, 是由于存在着不能匹配的部分而产生的. 通过心理物理实验的研究, 试图说明Kanizsa类型主观轮廓同样产生于不能匹配的信息. 实验中采用了不同运动方式(包括水平运动和收缩扩张运动)的Kanizsa主观轮廓. 结果表明, 无论在哪种运动方式下, 当图形和背景单独运动时, 主观轮廓的感知都得到了增强, 并且两种运动间没有产生明显的感知强度差异, 而在图形和背景同时运动的情况下, 则没有产生主观轮廓增强的现象. 通过分析发现, 运动中的主观轮廓增强效应是由于不能匹配信息的增强而产生的. 这就间接地表明, 视觉系统对于不能匹配信息的处理是主观轮廓形成过程中关键的步骤.     

一种感知视觉运动信息的简化脑模型

视觉运动信息的感知过程,包括从局域运动检测到对模式整体运动的感知过程.我们以蝇视觉系统的图形-背景相对运动分辨的神经回路网络为基本框架,采用初级运动检测器的六角形阵列作为输入层,构造了一种感知视觉运动信息的简化脑模型,模拟了运动信息应该神经计算模型各个层次上的处理.该模型对差分行为实验结果作出了正确预测.本文并对空间生理整合的神经机制作了讨论.     

边闻边看记得牢——科学家首次发现视嗅觉协同功效

看到汽车闻到汽油味,可以加深你对汽车的印象;而看到汽车闻到奶酪味,则不会有同样的效果。中国科学家对果蝇的最新实验证实,当果蝇同时使用嗅觉和视觉时,学习记忆的效果明显强于单一使用嗅觉或视觉。这一发现不仅朝果蝇的"认知世界"又迈近了一步,同时也可能为指导人类的学习和记忆提供新的科学依据。该成果发表在7月8日出版的《科学》杂志上。     

初级视觉的小波表征及其图象压缩效果

初级视觉的Ｇａｂｏｒ函数模型和变换尺度为３是初级视觉处理外界信息的主要特征。在此基础上,由于小波所具有的多分辨特性与视觉处理由粗到细的过程相一致,因而,希望存在一类能够表征这两个初级视觉特征的小波变换。从这点出发,本文先给出了具有变换尺度为３的正交Ｈａａｒ基,而后给出了具有以上两个特征的小波基和小波滤波器。我们将其应用到图象信息的压缩上,着重与传统二进的小波变换图象压缩的效果进行了比较,结果说明具有视觉特征的小波变换能够提供良好的图象压缩效果和主观视觉效果     

师承动物的武术

在德国哲学家米切尔·兰德曼的眼中,人与动物的特定化不同,是未完成的存在。未完成性使人类从动物界走出,在其弥补自身未完成的过程中,人类形成了一系列与动物相关的文化处理：在宗教活动中作为图腾对象神话之、认作祖先崇拜之（如我国的龙风图腾）;在艺术活动中,     

“遗传病的监测与预防及人类基因组计划”的教学设计

本节课以提高生物科学素养;面向全体学生;倡导探究性学习;注重与现实生活的联系的高中生物学新课程的基本理念为指导思想.结合《课程标准》总体目标及"人类遗传病"这节课的实际,确定本节课的教学设计特色为:通过资料搜集、角色扮演的形式学习遗传病的监测和预防;通过搜集和处理信息,以及辩论的形式生动活泼地开展人类基因组计划与人体健康知识的学习.