科技日?qǐng)?bào)記者?張夢(mèng)然

為探索大腦如何控制運(yùn)動(dòng)的奧秘，美國(guó)哈佛大學(xué)與谷歌深度思維實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家合作，創(chuàng)造出一個(gè)“虛擬大鼠”——生物力學(xué)上逼真的大鼠數(shù)字模型。這個(gè)“大鼠”有一個(gè)人造大腦，可像真正的嚙齒動(dòng)物一樣四處走動(dòng)。該成果代表了一種人類(lèi)研究大腦如何運(yùn)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(shí)大鼠的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)創(chuàng)造的“虛擬大鼠”。
圖片來(lái)源：谷歌深度思維

人類(lèi)和動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)極為敏捷，堪稱(chēng)進(jìn)化上的奇跡，至今還沒(méi)有機(jī)器人能夠深度模仿。科學(xué)家認(rèn)為，人類(lèi)通過(guò)大腦來(lái)指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)。例如，當(dāng)人伸手去拿一杯咖啡時(shí)，大腦會(huì)迅速計(jì)算出其手臂應(yīng)該遵循的軌跡，并將其轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)命令。

此次，團(tuán)隊(duì)成員密切合作，利用來(lái)自真實(shí)大鼠的高分辨率數(shù)據(jù)訓(xùn)練了一個(gè)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，作為虛擬大鼠的“大腦”，用這個(gè)“大腦”在一個(gè)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(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)了所謂的逆動(dòng)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(méi)有經(jīng)過(guò)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(cè)與真實(shí)大鼠大腦中相同的神經(jīng)活動(dòng)，再結(jié)合深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)以及自由行為動(dòng)物的3D運(yùn)動(dòng)跟蹤，實(shí)現(xiàn)了這一模擬。

這一模擬研究可能開(kāi)啟一個(gè)尚未開(kāi)發(fā)的虛擬神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域。在這個(gè)領(lǐng)域中，AI模擬的動(dòng)物經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后表現(xiàn)得像真實(shí)動(dòng)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(tái)也能作為一個(gè)例子，幫助人們?cè)O(shè)計(jì)更好的機(jī)器人控制系統(tǒng)。

總編輯圈點(diǎn)：

大腦如何指揮你拿起一杯水，翻開(kāi)一本書(shū)？如何讓動(dòng)物在遇到危險(xiǎn)時(shí)逃跑，碰上獵物時(shí)出擊？這次，科研人員用一個(gè)經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加上一個(gè)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)。