27、神经科学与机器学习：前沿研究与应用洞察

神经科学与机器学习：前沿研究与应用洞察

1. 机器学习在视觉处理中的应用

Poggio团队采用的无监督K - 均值聚类方法，会以二进制信号响应，这种方法偏好沿一个维度的视觉输入数据，例如视野中特定方向的线条方向。这种对一维信息的选择性调谐，类似于初级视觉皮层中简单细胞的响应方式。在Poggio的模拟中，模拟颞下皮层对象分类的高级视觉处理，会将这些特征作为输入，并使用经典的有监督神经网络对对象进行分类。

方法	特点	应用
无监督K - 均值聚类	以二进制信号响应，偏好一维视觉输入数据	视觉对象分类
有监督神经网络	结合无监督聚类特征进行分类	高级视觉处理

2. 不同学习范式及相关理论

为了规避标准有监督/无监督学习范式的问题，半监督学习方法应运而生。它首先用人类生成的标签来确定有监督学习的一组响应，然后从这组初始数据开始进行无监督学习。不过，半监督学习需要人类对响应进行标记，显然不是一种自动化的机器学习解决方案。在特定的初始条件下，半监督学习可被视为强化学习的一种模型。强化学习也可以被建模为类似于生存分析的时变风险模型。

graph LR
    A[标准学习范式] --> B(有监督学习)
    A --> C(无监督学习)
    D[半监督学习] --> E(人类标签确定初始响应)
    E --> F(无监督学习)
    D --> G(强化学习模型)
    G --> H(时变风险模型)

3. 脑电与脑磁信号特性

头皮脑电图（EEG）不仅噪声大，而且对大脑皮层顶锥神经元中与电极方向一致的电流所产生的场电位最为敏感。而脑磁图（MEG）则对与头皮表面相切方向的电流最为敏感。

检测方法	特点	敏感电流方向
头皮脑电图（EEG）	噪声大	与电极方向一致
脑磁图（MEG）	-	与头皮表面相切

4. 神经元同步与视觉处理

神经元同步在视觉处理中起着重要作用。例如，猫视觉皮层中的振荡响应表现出跨列同步，这反映了全局刺激特性。同时，也有研究表明，在某些皮层区域，神经元同步与运动连贯性并无关联。

研究内容	主要发现
猫视觉皮层振荡响应	表现出跨列同步，反映全局刺激特性
皮层区域MT	神经元同步与运动连贯性无关联

5. 大脑发育与神经可塑性

在大脑发育过程中，神经元和突触会发生一系列变化。新生儿的背内侧丘脑神经元数量比成年人多，而人类前额叶皮层的突触棘具有非凡的幼态持续现象。经验可以诱导神经结构形成模式，对认知发展产生影响。重复的运动学习会在体内诱导成簇树突棘的协调形成。

发育相关现象	具体表现
背内侧丘脑神经元数量	新生儿多于成年人
前额叶皮层突触棘	具有非凡的幼态持续现象
经验对神经结构的影响	诱导模式形成，影响认知发展
重复运动学习	诱导成簇树突棘协调形成

6. 衰老与大脑变化

随着年龄的增长，大脑会发生一系列变化。在非人类灵长类动物的背外侧前额叶皮层8a区，会出现与年龄相关的神经元大量丢失，这与工作记忆缺陷有关。海马萎缩与阿尔茨海默病相关，同时也与皮层θ波功率存在关联。

graph LR
    A[衰老] --> B(神经元丢失)
    B --> C(背外侧前额叶皮层8a区)
    B --> D(工作记忆缺陷)
    A --> E(海马萎缩)
    E --> F(阿尔茨海默病)
    E --> G(皮层θ波功率关联)

7. 记忆与大脑活动

记忆与大脑的多种活动密切相关。人类记忆强度可以通过单个神经元的θ频率锁相来预测，θ振荡在人类记忆中调节前额叶皮层和内侧颞叶之间的相互作用。此外，大脑不同振荡之间的相位同步在记忆过程中也起着重要作用。

记忆相关因素	作用
单个神经元θ频率锁相	预测人类记忆强度
θ振荡	调节前额叶皮层和内侧颞叶相互作用
大脑振荡相位同步	参与记忆过程

8. 信息理论与神经动力学

互信息对线性和非线性效应都敏感，而皮尔逊相关仅对线性效应敏感，除非通过多项式项定义非线性效应（如在RELR中）。目前，重要的神经动力学模型大多基于与RELR类似的多项式表达式，但如何用互信息构建能够分离线性和非线性效应学习的神经动力学模型尚不清楚。在RELR的基于相关性的学习中，所有线性和非线性效应都可以分离，从而能够实现可分离的尖峰时序依赖学习。

信息理论指标	特点
互信息	对线性和非线性效应敏感
皮尔逊相关	仅对线性效应敏感（除非定义非线性项）
RELR	可分离线性和非线性效应，实现尖峰时序依赖学习

9. 阿尔茨海默病相关研究

有观点认为阿尔茨海默病可能始于内侧颞叶，相关研究发现内嗅皮层的损伤更为严重，但对于发病机制以及发病早于临床诊断至少10年的原因尚不清楚。研究还提供了近期记忆与颞叶异常之间的直接联系，并精确估计了这些异常出现到临床诊断为痴呆的平均10年时间延迟。

graph LR
    A[阿尔茨海默病] --> B(内侧颞叶发病)
    B --> C(内嗅皮层损伤严重)
    A --> D(近期记忆与颞叶异常联系)
    D --> E(10年时间延迟)

10. 认知与大脑训练

一些研究探讨了认知与大脑训练的关系。例如，通过心理和/或个性化有氧训练可以改善健康老年人的认知功能。然而，也有研究对大脑训练的效果提出了质疑，认为需要进一步验证其有效性。

训练方式	效果
心理和有氧训练	改善健康老年人认知功能
大脑训练	效果有待验证

11. 意识相关理论与研究

众多学者提出了关于意识的不同理论。例如，Schopenhauer认为世界是意志和表象；Tonini提出意识是整合信息的观点；Hameroff则认为“意识引导者”——树突同步在大脑中移动以介导意识。

学者	意识理论
Schopenhauer	世界是意志和表象
Tonini	意识是整合信息
Hameroff	“意识引导者”树突同步介导意识

12. 神经科学中的经典实验与发现

在神经科学的发展历程中，有许多经典的实验和发现。Hubel和Wiesel研究了猫视觉皮层的感受野、双眼交互和功能结构；Gross探讨了祖母细胞的谱系；Werning和Maye提出了关于皮层实现复杂属性和实体概念的同步、框架和层次绑定模型。

graph LR
    A[经典实验与发现] --> B(Hubel和Wiesel研究猫视觉皮层)
    A --> C(Gross探讨祖母细胞谱系)
    A --> D(Werning和Maye提出皮层绑定模型)

13. 大脑节律的相互作用

大脑中不同节律之间存在着时间相互作用。例如，皮层节律之间的时间交互会影响大脑的功能，交叉频率相位同步被认为是记忆匹配和注意力的一种大脑机制。

大脑节律现象	作用
皮层节律时间交互	影响大脑功能
交叉频率相位同步	记忆匹配和注意力机制

14. 认知能力与大脑结构

人类的认知能力与大脑结构密切相关。多项研究表明，智力与儿童和青少年的皮层发育有关，皮层厚度和神经激活揭示了人类智力的多个基础。同时，大脑皮层的变化会伴随人类的整个生命周期。

认知能力相关因素	关联表现
智力与皮层发育	儿童和青少年中存在关联
皮层厚度和神经激活	揭示人类智力多个基础
大脑皮层变化	伴随人类整个生命周期

15. 动物实验与认知研究

动物实验在认知研究中具有重要意义。例如，狗的地标辨别学习实验表明，年龄、抗氧化强化食物和认知策略会影响其学习能力。不过，该实验可能无法独立控制运动与认知刺激处理之间的关系。

动物实验	研究内容	可能存在的问题
狗的地标辨别学习实验	年龄、食物和策略对学习能力的影响	无法独立控制运动与认知刺激关系

16. 大脑训练的效果评估

对于大脑训练的效果，不同研究有不同的结论。一些研究发现大脑训练可以改善认知功能，而另一些研究则对其效果提出质疑，认为需要更多的研究来验证其有效性。

graph LR
    A[大脑训练效果评估] --> B(部分研究认为可改善认知功能)
    A --> C(部分研究质疑效果需验证)

17. 意识的理论框架与模型

Edelman提出了自然化意识的理论框架，认为意识具有生物学基础。同时，还有如CEMI场理论等其他意识模型，试图解释意识的本质。

意识理论与模型	提出者	核心观点
自然化意识理论框架	Edelman	意识具有生物学基础
CEMI场理论	McFadden	解释意识本质

18. 量子计算与意识

Hameroff提出了Penrose - Hameroff Orch OR模型，认为量子计算在微管中发生，并与意识相关。该模型引发了广泛的讨论和研究。

19. 大脑与云计算

Kurzweil提出了“大脑在云端”的观点，引发了人们对于大脑与云计算结合的思考，这可能为未来神经科学和信息技术的发展带来新的方向。

20. 思维方式与决策

Kahneman在《思考，快与慢》中提出了快速思维和慢速思维两种方式，这两种思维方式影响着人们的决策过程，并且在日常生活和各种领域中都有着重要的应用。

思维方式	特点	对决策的影响
快速思维	直觉、快速	可能导致决策偏差
慢速思维	理性、深思	决策更谨慎准确