人造神經“復制”大腦多感官整合功能

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記者20日從南開大學獲悉，該校電子信息與光學工程學院徐文濤教授團隊受獼猴多感官整合與空間感知機制啟發(fā)，開發(fā)了一種人造運動感知神經，在硬件層面上成功實現了大腦的多感官整合功能，獲得了卓越的運動感知性能。該成果近日發(fā)表于國際學術期刊《自然·通訊》。

據介紹，大腦多感官整合是一個將不同模態(tài)感官信息進行結合的過程，它對于許多生物完成決策、記憶和學習等任務至關重要。例如，大黃蜂可同時利用視覺和觸覺信息識別物體，星鼻鼴鼠在無光的地下環(huán)境中可使用觸覺—嗅覺協同感知方式對周圍環(huán)境進行探索。

“多感官整合機制依賴高度并行且異步觸發(fā)的神經元和突觸網絡。”徐文濤介紹，為了實現神經元和突觸的基本功能，近年來神經形態(tài)器件獲得了廣泛關注與研究。然而，與大腦多感官整合機制相關的高級功能仍需在神經形態(tài)器件和系統(tǒng)中得到開發(fā)與驗證。此外，如何從硬件層面在神經形態(tài)器件中實現認知智能與類腦智能也是亟待解決的難題。

a 哺乳動物具有的視覺神經/前庭神經跨模態(tài)運動感官系統(tǒng);b 基于柔性突觸晶體管的神經形態(tài)運動感知系統(tǒng)。(南開大學提供)

此次開發(fā)的人造運動感知神經設計受獼猴多感官整合與空間感知機制啟發(fā)。“獼猴的自主運動會在內耳前庭和視網膜中激發(fā)慣性信號和光流信號等運動信息，大腦皮層的特定區(qū)域對編碼為尖峰脈沖的運動信息進行處理識別后，最終通過整合不同感官模態(tài)的信息實現空間感知。”徐文濤說，在神經形態(tài)運動感知系統(tǒng)中，通過對脈沖平均發(fā)放率和突觸器件輸出電流進行判定，實現運動信號的分類識別。

利用光流傳感器、振動觸覺傳感器、慣性傳感器構建傳感單元，該人造神經可檢測視覺、觸覺、加速度覺多個模態(tài)的傳感信息。對來自不同類型傳感器的信息進行有效整合，可顯著提升運動識別的準確率(高于94%)，并且實驗結果符合大腦的感知增強效應。

“從本質上講，該人造神經模擬了哺乳動物大腦中感官線索整合的過程，并結合傳感信號的脈沖編碼策略、突觸器件的脈沖整合特性、突觸電流信號的時空識別方法實現了類腦水平的運動感知功能。”徐文濤表示，該工作將神經形態(tài)認知智能與大腦多模態(tài)感知機制相結合，對于類腦器件、仿生電子的開發(fā)具有重要的指導意義，可潛在應用于移動機器人、智能可穿戴設備、人機交互等領域。

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