科技日報記者?張夢然
為探索大腦如何控制運動的奧秘，美國哈佛大學(xué)與谷歌深度思維實驗室的科學(xué)家合作，創(chuàng)造出一個“虛擬大鼠”——生物力學(xué)上逼真的大鼠數(shù)字模型。這個“大鼠”有一個人造大腦，可像真正的嚙齒動物一樣四處走動。該成果代表了一種人類研究大腦如何運作的新方法。相關(guān)論文發(fā)表在最新一期《自然》雜志上。
研究人員使用真實大鼠的運動數(shù)據(jù)創(chuàng)造的“虛擬大鼠”。
圖片來源：谷歌深度思維
人類和動物的運動極為敏捷，堪稱進(jìn)化上的奇跡，至今還沒有機(jī)器人能夠深度模仿。科學(xué)家認(rèn)為，人類通過大腦來指導(dǎo)運動。例如，當(dāng)人伸手去拿一杯咖啡時，大腦會迅速計算出其手臂應(yīng)該遵循的軌跡，并將其轉(zhuǎn)化為運動命令。
此次，團(tuán)隊成員密切合作，利用來自真實大鼠的高分辨率數(shù)據(jù)訓(xùn)練了一個人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，作為虛擬大鼠的“大腦”，用這個“大腦”在一個名為MuJoco的物理模擬器中控制虛擬身體。網(wǎng)絡(luò)被輸入所需運動的參考軌跡，并學(xué)習(xí)產(chǎn)生力，最終訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了所謂的逆動力學(xué)模型。這使得“虛擬大鼠”能夠模仿各種各樣的行為，即使是那些沒有經(jīng)過明確訓(xùn)練的行為。
虛擬控制網(wǎng)絡(luò)可以準(zhǔn)確地預(yù)測與真實大鼠大腦中相同的神經(jīng)活動，再結(jié)合深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)以及自由行為動物的3D運動跟蹤，實現(xiàn)了這一模擬。
這一模擬研究可能開啟一個尚未開發(fā)的虛擬神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域。在這個領(lǐng)域中，AI模擬的動物經(jīng)過訓(xùn)練后表現(xiàn)得像真實動物一樣，為研究神經(jīng)回路提供了方便且完全透明的模型，甚至可推演這些回路在疾病中是如何受到損害的。模擬平臺也能作為一個例子，幫助人們設(shè)計更好的機(jī)器人控制系統(tǒng)。
總編輯圈點：
大腦如何指揮你拿起一杯水，翻開一本書？如何讓動物在遇到危險時逃跑，碰上獵物時出擊？這次，科研人員用一個經(jīng)過訓(xùn)練的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加上一個生物力學(xué)上的大鼠數(shù)字模型，創(chuàng)造出了一只擁有人造大腦和身體的數(shù)字大鼠。而且，這只“大鼠”大腦和行為之間的關(guān)系，能被科研人員觀察并記錄，成為研究神經(jīng)回路的透明模型。只要輸入運動軌跡，虛擬大鼠也能模仿各種行為，從行為倒推，就能進(jìn)一步了解大腦如何指導(dǎo)身體產(chǎn)生相應(yīng)的運動。
