大脑连接图有助于神经形态芯片发展

点击蓝字 关注我们

SUBSCRIBE to US


NATURE PHYSICS


在神经科学领域,就像在地理学、基因组学和其他许多领域一样,没有一张好的地图很难导航。大脑绘图技术(https://spectrum.ieee.org/brain-scanning-just-got-very-good-and-very-unsettling)的最新进展能够帮助科学家能创建更大、更详细的模型。当对不同动物的模型进行比较时,出现了一些令人惊讶的相似之处。相似之处如此之多以至于这些神经连接图(也称为“连接体”)可能会为高级神经形态电子学的设计提供信息(This Engineer’s Hardware Is Inspired by th Brain - IEEE Spectrum):芯片和算法模型,旨在模拟大脑和神经元的计算能力和效率。


耶鲁大学、普林斯顿大学和芝加哥大学的科学家们在2021年成功创建了首个完整“成年果蝇”大脑连接组(https://www.nature.com/articles/s41592-021-01330-0.pdf?proof=t) —— 这是新兴连接组学领域的一个里程碑 —— 作为他们在不同大小和复杂性尺度上比较大脑结构各方面的机会。


耶鲁大学物理学助理教授Christopher Lynn说,绘制连接体是一项不小的壮举。即使是像果蝇这样微小的物种,也代表着对神经系统的巨大挑战。果蝇的大脑由超过120000个神经元组成,其中有3000多万个连接。就连接体而言,这意味着每个连接都必须以某种方式被隔离、识别和绘制。


秀丽隐杆线虫如何绘制路径


Lynn说:“就规模而言,秀丽隐杆线虫只有302个神经元。他们在80年代绘制出了第一种蠕虫的整个连接体(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4360118/ - :~:text=By%201984%2C%20the%20complete%20wiring,the%20synapses%20in%20nervous%20systems.),这是一个重大突破。以果蝇为例,每个神经元可能有100到10000个突触。当你进入更大的系统时,你会跟踪数十万或数百万个突触。”


“There is a simple phrase they say when teaching this: ‘If two neurons fire together, they are likely to wire together.’”

—CHRISTOPHER LYNN, YALE UNIVERSITY


研究人员发现,从简单的秀丽隐杆线虫到小鼠视网膜,五种不同连接体之间存在持续的连接统计数据。他们使用了所谓的重尾统计(https://en.wikipedia.org/wiki/Heavy-tailed_distribution)——认识到虽然神经元之间的大多数连接都很弱,但其中一小部分连接要强大得多。这一结果补充了先前的研究(https://journals.sagepub.com/doi/full/10.1177/1073858416667720),即大脑网络往往表现出“小世界(https://news.cornell.edu/stories/2023/05/mathematical-model-changed-everything-turns-25)”的特征:少数神经元与许多其他神经元相连,但大多数神经元根本不与太多神经元相连。


跨物种的重尾连接表明,一些相同的神经功能原理也可能跨越完全不同规模的生物体。为了帮助提供一个可能的框架,该团队创建了一个大脑发育模型,将随机重组与神经科学家所说的Hebbian可塑性(即附近同时活动的神经元相互连接的趋势,https://en.wikipedia.org/wiki/Hebbian_theory)进行了权衡。Lynn说:“他们在教学时说了一句简单的话:‘如果两个神经元一起放电,它们很可能会连接在一起。’”。该模型虽然是大脑中神经元如何聚集在一起的简单近似,但始终重现了Lynn和他的同事在连接体中看到的重尾分布。


脑图启发神经形态硬件


研究人员发现跨物种连接体的相似性可能为新的神经形态硬件铺平道路。例如,他们研究的重尾连接模式为芯片设计提供了富有成效的灵感来源。


“There are details that are different, but the heavy-tailed shape is consistent across animals and brain regions.”

—CHRISTOPHER LYNN, YALE UNIVERSITY


英特尔神经形态计算实验室主任Mike Davies说,小世界的连接模式是一种有吸引力的特征,可以用来模仿一个人的设计想法。Davies说:“人们倾向于将神经形态芯片中的连接简化为你可以方便地制造的连接,表示所有可能的联系是一个n平方爆炸。”


然而,他补充道,英特尔在其神经形态设计上采取了与严格遵循自然规律略有不同的方法。该公司没有试图在芯片中明确构建密集的网络,而是使用自适应网络系统来路由网络流量。Davies说:“这是我们为这些稀疏连接建模的最有效的系统。有了这个,我们实际上可以复制一些重尾网络。”


Lynn说,展望未来,连接组学团队现在将扩大他们绘制连接组的物种名单。虽然本研究中使用的细胞级小鼠连接体仅限于动物的视网膜,但研究人员在小鼠大脑的更大部分也观察到了类似的重尾连接。


Lynn表示,虽然他们目前的结果仅限于少数连接体,但他预计他们的结果将被概括为更大、更复杂的大脑的连接体。他提到:“根据我们迄今为止看到的每一个数据集,所有数据集的分布看起来都很相似。我预计这些重尾分布在大脑中普遍存在。”


本月早些时候,研究人员在《自然物理学》杂志上发表了他们的研究结果(https://www.nature.com/articles/s41567-023-02332-9)。


微信号|IEEE电气电子工程师

新浪微博|IEEE中国

 · IEEE电气电子工程师学会 · 


开创6GHz频谱新纪元:Wi-Fi技术的革新与拓展现实的崛起

情节大反转:AI在书籍未来的崭新角色

创新突破:精准型农业与气候不确定性

3D打印技术在建筑业的革命:建设更为高效和可持续的未来

IEEE电气电子工程师学会 IEEE是全球最大的专业技术协会之一,一直致力于推动电气电子技术在理论方面的发展和应用方面的进步。IEEE在全球160多个国家有超过四十万名会员。
评论
  • 一个易用且轻量化的UI可以大大提高用户的使用效率和满意度——通过快速启动、直观操作和及时反馈,帮助用户快速上手并高效完成任务;轻量化设计则可以减少资源占用,提升启动和运行速度,增强产品竞争力。LVGL(Light and Versatile Graphics Library)是一个免费开源的图形库,专为嵌入式系统设计。它以轻量级、高效和易于使用而著称,支持多种屏幕分辨率和硬件配置,并提供了丰富的GUI组件,能够帮助开发者轻松构建出美观且功能强大的用户界面。近期,飞凌嵌入式为基于NXP i.MX9
    飞凌嵌入式 2025-01-16 13:15 62浏览
  • 数字隔离芯片是现代电气工程师在进行电路设计时所必须考虑的一种电子元件,主要用于保护低压控制电路中敏感电子设备的稳定运行与操作人员的人身安全。其不仅能隔离两个或多个高低压回路之间的电气联系,还能防止漏电流、共模噪声与浪涌等干扰信号的传播,有效增强电路间信号传输的抗干扰能力,同时提升电子系统的电磁兼容性与通信稳定性。容耦隔离芯片的典型应用原理图值得一提的是,在电子电路中引入隔离措施会带来传输延迟、功耗增加、成本增加与尺寸增加等问题,而数字隔离芯片的目标就是尽可能消除这些不利影响,同时满足安全法规的要
    华普微HOPERF 2025-01-15 09:48 121浏览
  • 百佳泰特为您整理2025年1月各大Logo的最新规格信息,本月有更新信息的logo有HDMI、Wi-Fi、Bluetooth、DisplayHDR、ClearMR、Intel EVO。HDMI®▶ 2025年1月6日,HDMI Forum, Inc. 宣布即将发布HDMI规范2.2版本。新规范将支持更高的分辨率和刷新率,并提供更多高质量选项。更快的96Gbps 带宽可满足数据密集型沉浸式和虚拟应用对传输的要求,如 AR/VR/MR、空间现实和光场显示,以及各种商业应用,如大型数字标牌、医疗成像和
    百佳泰测试实验室 2025-01-16 15:41 52浏览
  • 晶台光耦KL817和KL3053在小家电产品(如微波炉等)辅助电源中的广泛应用。具备小功率、高性能、高度集成以及低待机功耗的特点,同时支持宽输入电压范围。▲光耦在实物应用中的产品图其一次侧集成了交流电压过零检测与信号输出功能,该功能产生的过零信号可用于精确控制继电器、可控硅等器件的过零开关动作,从而有效减小开关应力,显著提升器件的使用寿命。通过高度的集成化和先进的控制技术,该电源大幅减少了所需的外围器件数量,不仅降低了系统成本和体积,还进一步增强了整体的可靠性。▲电路示意图该电路的过零检测信号由
    晶台光耦 2025-01-16 10:12 42浏览
  • 近期,智能家居领域Matter标准的制定者,全球最具影响力的科技联盟之一,连接标准联盟(Connectivity Standards Alliance,简称CSA)“利好”频出,不仅为智能家居领域的设备制造商们提供了更为快速便捷的Matter认证流程,而且苹果、三星与谷歌等智能家居平台厂商都表示会接纳CSA的Matter认证体系,并计划将其整合至各自的“Works with”项目中。那么,在本轮“利好”背景下,智能家居的设备制造商们该如何捉住机会,“掘金”万亿市场呢?重认证快通道计划,为家居设备
    华普微HOPERF 2025-01-16 10:22 76浏览
  • 故障现象 一辆2007款法拉利599 GTB车,搭载6.0 L V12自然吸气发动机(图1),累计行驶里程约为6万km。该车因发动机故障灯异常点亮进厂检修。 图1 发动机的布置 故障诊断接车后试车,发动机怠速轻微抖动,发动机故障灯长亮。用故障检测仪检测,发现发动机控制单元(NCM)中存储有故障代码“P0300 多缸失火”“P0309 气缸9失火”“P0307 气缸7失火”,初步判断发动机存在失火故障。考虑到该车使用年数较长,决定先使用虹科Pico汽车示波器进行相对压缩测试,以
    虹科Pico汽车示波器 2025-01-15 17:30 44浏览
  • 电竞鼠标应用环境与客户需求电竞行业近年来发展迅速,「鼠标延迟」已成为决定游戏体验与比赛结果的关键因素。从技术角度来看,传统鼠标的延迟大约为20毫秒,入门级电竞鼠标通常为5毫秒,而高阶电竞鼠标的延迟可降低至仅2毫秒。这些差异看似微小,但在竞技激烈的游戏中,尤其在对反应和速度要求极高的场景中,每一毫秒的优化都可能带来致胜的优势。电竞比赛的普及促使玩家更加渴望降低鼠标延迟以提升竞技表现。他们希望通过精确的测试,了解不同操作系统与设定对延迟的具体影响,并寻求最佳配置方案来获得竞技优势。这样的需求推动市场
    百佳泰测试实验室 2025-01-16 15:45 62浏览
  • 实用性高值得收藏!! (时源芯微)时源专注于EMC整改与服务,配备完整器件 TVS全称Transient Voltage Suppre,亦称TVS管、瞬态抑制二极管等,有单向和双向之分。单向TVS 一般应用于直流供电电路,双向TVS 应用于电压交变的电路。在直流电路的应用中,TVS被并联接入电路中。在电路处于正常运行状态时,TVS会保持截止状态,从而不对电路的正常工作产生任何影响。然而,一旦电路中出现异常的过电压,并且这个电压达到TVS的击穿阈值时,TVS的状态就会
    时源芯微 2025-01-16 14:23 74浏览
  • 全球领先的光学解决方案供应商艾迈斯欧司朗(SIX:AMS)近日宣布,与汽车技术领先者法雷奥合作,采用创新的开放系统协议(OSP)技术,旨在改变汽车内饰照明方式,革新汽车行业座舱照明理念。结合艾迈斯欧司朗开创性的OSIRE® E3731i智能LED和法雷奥的动态环境照明系统,两家公司将为车辆内饰设计和功能设立一套全新标准。汽车内饰照明的作用日益凸显,座舱设计的主流趋势应满足终端用户的需求:即易于使用、个性化,并能提供符合用户生活方式的清晰信息。因此,动态环境照明带来了众多新机遇。智能LED的应用已
    艾迈斯欧司朗 2025-01-15 19:00 49浏览
  • 随着智慧科技的快速发展,智能显示器的生态圈应用变得越来越丰富多元,智能显示器不仅仅是传统的显示设备,透过结合人工智能(AI)和语音助理,它还可以成为家庭、办公室和商业环境中的核心互动接口。提供多元且个性化的服务,如智能家居控制、影音串流拨放、实时信息显示等,极大提升了使用体验。此外,智能家居系统的整合能力也不容小觑,透过智能装置之间的无缝连接,形成了强大的多元应用生态圈。企业也利用智能显示器进行会议展示和多方远程合作,大大提高效率和互动性。Smart Display Ecosystem示意图,作
    百佳泰测试实验室 2025-01-16 15:37 48浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦