Randal Koene全脑仿真

||谈话

兰德阿尔斯肖像Randal A. Koene博士是非营利科学基金会的首席执行官和创始人碳弥产品以及神经界面公司Neuralink Co. Koene博士是2045个倡议和科学委员会成员的科学总监,以及几家神经技术公司和组织。

科琳博士是一种神经科学家,重点是神经界面,神经调节剂和神经组织的精确功能重建,一种已知的多学科领域(全)脑仿真。Koene的工作强调了促进可行的技术解决方案和“大图”路线式方面的领域。自1994年以来的活动包括科学策展,例如将专家和项目汇集在尖端的研究和开发中,提高了该领域的关键部分。亚博体育官网

Randal Koene是Silicon Valley纳米技术公司分析总监哈西顿分子(2010-2012)和神经衰老部主任Tecnalia.是欧洲第三大私人研究组织(2008-2010)。亚博体育官网科琳博士创立了神经工程公司(马萨诸塞州),并是波士顿大学的记忆和大脑中心的研究教授。亚博体育官网科琳博士赢得了他的博士学位。在麦吉尔大学心理学系的计算神经科学,以及M.SC.代尔夫特理工大学信息理论专业化的电气工程。他是牛津大学工作组的核心成员,于2007年召开,为全脑仿真创建第一个路线图(2000年提出的一个术语Koene)。科恩博士的专业专业知识包括计算神经科学,神经工程,心理学,信息理论,电气工程和物理学。

与Vu University Amsterdam合作,Koene博士领导着创造了NetMorph.,用于大规模高分辨率神经透明的神经元电路模拟形态学发展的计算框架。

卢克·穆罕沃斯:您是2007年研讨会的参与者,导致了FHI的全脑仿真:路线图报告。该报告总结了参与者对若干问题的看法。你介意分享你的自己的估计报告中的一些关键问题?特别是,您认为我们认为我们需要模拟人类大脑以实现WBE?(分子,蛋白质组,代谢物,电生理学,尖峰神经网络等)

(通过“WBE”我的意思是报告称之为成功标准6a(“社会角色适合仿真”),以便留下意识和个人身份的问题。)


Randal Koene.:基本上在2007年报告中基本上基本上是有问题的。所有所涉及的人都在一致意见中,所述报告不构成“路线图”,因为它实际上并没有制定一个具体/良好设计的理论计划,其中全脑仿真都是可能的和可行的。2007年白皮书几乎专注于结构数据采集,并未明确解决未知(“黑匣子”)系统中的系统识别问题。亚博体育苹果app官方下载这个问题是关于“细节水平”的问题的基础。它立即迫使你思考约束:什么是成功/满意的大脑仿真?

亚博体育苹果app官方下载通过TED Berger的神经高原作品证明了系统鉴定(小)。采用该示例和原则证明,并将其施加到整个大脑导致一个分解成可行部件的计划。这就是实际的路线图是什么。

我不知道您是否遇到过这两篇论文,但您可能希望与2007年报告阅读和对比:

我认为一系列不同的细节水平将参与WBE。例如,如由TED Berger工作在已经表现出假体海马的上,可能通常足以在神经尖峰的尖峰时序和模式的水平上仿真。从功能的角度来看,这是非常可能的,在该级别的仿真可以捕获对我们感知的。考虑,突触后和突出后峰值时间的差异是突触强化(Spike-Timing依赖性增强)的基础,即长期记忆的编码。尖峰火车用于传达感觉输入(视觉,听觉等)。尖峰模式用于驱动肌肉组(运动,演讲等)。

也就是说,良好的仿真可能需要更深入的数据采集,以进行参数估计,并且可能在某些情况下也可能进行更深的仿真水平,例如,如果我们尝试区分不同类型的突触受体,因此特定的神经元可以传达彼此。我相信还有很多其他例子。
所以,我的亨奇(严格亨彻!)是,整个大脑仿真将最终涉及在一个级别进行大多数数据采集的工具组合,但这在某些地方或某些时候潜水深入挑选当地动态。

我认为我们很可能需要至少在当前Connectomics水平上获得结构数据,从而能够识别小轴突/树枝状和突触。我也认为我们需要进行大量的电生理学,达到现在称为大脑活动地图(BAM)的电生理学。
我认为我们需要在整个大脑中映射所有蛋白质或分子的可能性不太可能 - 尽管我们很可能会在大脑的代表性组件中彻底地研究每个人,以便学习如何最好地联系可测量的数量具有在仿真中表示的参数和动态。

(请不要将我的答案解释为“尖峰神经网络”,因为这不参考数据采集级别,而是一种人工神经网络的某种网络抽象。)


卢基:您通常同意该报告第15页的这些“假设”吗?(物理主义,多种可实现性,可计算性,非有机性,规模分离,组分遗传性,模拟牵引性,脑中心)


兰德尔

哲学身体素学: 是的。对于警告,我们假设思维函数可以在不同的功能基板上进行(就像你可以将程序从一种类型的计算机移动到另一个)一样)。由于我们已经知道大脑可以通过在某些其他大脑(再次再次损坏)中从先前损坏的作品中进行某些类型的脑损伤,从而恢复正常心理操作,我们有一些证据即使在生物实施中,大脑和心灵功能之间的区别也是如此。(具体示例不适用于所有思维函数。)

计算性:Yes – at the level that we are interested in. Rather than addressing the matter of Turing computability, I’d rather highlight the problem of replication: If you try to duplicate something accurately, by analog or digital means, it is pretty much impossible to do so to infinite precision. A good example is digital audio. Despite that constraint, we can capture what we are interested in. The assumption here is that what we would consider a satisfactory whole brain emulation does not require replication at infinite precision. From my experience in neuroscience, I see a lot of evidence that the brain itself goes to a lot of trouble to make itself more predictable, to make it possible for brain regions to talk to each other and cooperate intelligibly. In essence, the brain uses tricks like spike bursts, nested oscillatory modulation, redundant ensembles of neurons active in spike patterns, etc, to insure reliability and be more “computable”.

非有机主义:是的(我不熟悉这个词,但我同意描述)。什么是理解?我们什么时候了解的东西?如果我们能做出一些好的东西,就是理解吗?在生物科学中,这越来越变得成为理解的衡量标准,由于组件数量的复杂性增加(与“压力等基本物理问题不同”,例如,添加更多粒子可以使系统更容易描述亚博体育苹果app官方下载/理解比使用单个粒子)。

缩放分离:是 - ish,但看到我沿着上面的那些线路谈论我谈到的那些谈论我认为需要什么样的数据。

组件陶术:是的,但不是真正的组件:这是重要的信号!这是关于亚博体育苹果app官方下载系统识别,参见例如ted berger使用的创建Volterra扩张捕获神经假肢的系统功能。亚博体育苹果app官方下载您可以在一些决议上绘制一个围绕大脑的部分盒子,并称为“黑匣子”。重要的是要知道您对哪些发出的信号进入并从框中出来。在一个未知的CMOS组件中,我们可以说这些信号是1S和0(虽然实际上是低于一些阈值)。我们不一定关心那里的其他信号,例如红外EM辐射(热量)。同样,您需要考虑在脑生物学中某些级别检查黑匣子时有趣的信号。我确实相信我们将能够进行系统识别(即,制作一个/理解的模型)给我们一些函数,这些功能描述了一个亚博体育苹果app官方下载组件在其转换为输出方面所做的。

仿真术: 是的。Having carried out system identification we will learn which functions or parts of functions are most common and thereby determine how to build efficient processors for them (call them neuromorphic if you like, though they may be quite different than what goes by that name… since it’s really about whatever the functions turn out to be, not about neurons per-se). The biological brain is able to run functions of the mind fairly efficiently, so we should be able to engineer the same.

大脑中心:也许,但不是完全。我发现这个奇怪的是州作为一个重要的假设,因为它不是。专注于模拟大脑是一种选择,就像选择以更高分辨率选择的黑匣子一样。什么是'我'?是我的大脑,还是我的身体,或者我与整个宇宙的互动以及其中的每个人?在我看来,你可以像你一样移动这个定义和你想要的定义。但是......给出了一个我存在的宇宙,我可以参加其中的一部分,如我的大脑,声明它是一个待仿真的卷,构建仿真器,它应该与其余的很好。因此,可能是正确存在,您确实需要至少对腿部和手臂和武器和视觉输入等的看法等。我认为这不是脑仿真的根本问题。但假设是一个奇怪的事情,因为它(错误地,在我看来)看起来它可能是整个大脑仿真的可能道路块。我们需要尸体还是没有? How much of a body? Does the answer to those questions say much at all about the feasibility of whole brain emulation? I doubt it.


卢基:报告表4(第39页)总结了可能的建模并发症,以及对WBE有多可能所必需的估计,他们将如何实施。您最强烈地不同意哪些估计值?


兰德尔:脊髓,不知道。我同意通过突触效应的突触适应的所有估计。

动态状态:我同意这可能不是必需的,但可能需要通过功能表征捕获动态,因此大脑活动映射。由于最近的新界面原型,这不是Show-Stopper。

我同意模拟计算和关于“真实”随机性的估计。


卢基:神经科学家Miguel Nicolelis整个大脑仿真是可计算的,因为“意识最重要的特征是数十亿细胞之间不可预测的非线性相互作用的结果。”你回复的是什么?


兰德尔:我会说,没有实际证据,Miguel正在制作一些狂野的索赔。他真的在那里说什么?Remember the bit where I explained my take on its computability and the lengths the brain goes to to make itself more predictable + the issue of picking what you consider satisfactory for whole brain emulation (if you can’t be satisfied by anything less than atomic precision duplication… well then you can’t make a Mac emulator to run on a PC either).

对于神经科学家来说,这是一个奇怪的事情,因为几乎所有的东西 - 米格尔包括 - 使用计算神经科学模型,并继续要求更加严格复制神经生理学发生的事情。

米格尔如何知道如果它有任何差异,如果“意识最重要的特征”(无论如何)是不可预测的,可能是在数十亿生物细胞或仿真组成数十亿种组成部分之间的非线性相互作用的结果吗?

简短的答案是:Miguel的发言强烈的感觉,但我无法解析他的论点,以与任何证据证据联系起来。


卢基:在两个最近的论文中(2012A.2012B.)你解释了整个大脑仿真(WBE)的一般挑战,并概述了一些实验研究,这将取得成功的WBE。亚博体育官网在您的观点中,如果资助的话,某些特定的,易行的“下一步研究项目”可能会在未来10年内对WBE表现出大量进展?亚博体育官网


兰德尔:要说实话,我现在正在改造路线图,因为2013年的活动改变了可能是最需要聚焦的领域的可能性。

用那个警告,我会提出一些:

  1. 目前在UC Berkeley的原型开发了基于原型的无线自由浮动神经接口平台1和麻省理工学院,但充分开放和标准化,即使接口硬件经历几次改进迭代,许多研究实验也可以使用该平台。亚博体育官网这是大脑活动图(BAM)上的一个组成部分,这对于在通用脑组织中进行系统鉴定至关重要。亚博体育苹果app官方下载
  2. 从理论上“将一块神经组织中的一个神经组织的能力”展示了一个漫长的小型子系统的集合,其中表征了。亚博体育苹果app官方下载所有的。你可以开始这个非常小,然后工作,虽然如果被任意选择的小组织,验证将是艰苦的。它可能最好在像视网膜或一只非常小的动物那样工作(不确定我是否应该为此建议这一点,因为它的奇怪)。
  3. 试图使用神经界面和神经假体在越来越多的患者群体治疗精神障碍时,选择区域的脑损伤(海马是一个有趣的候选人,显然)和神经损伤(瘫痪)作为加速和发展经验的一种方式这些工具中,这些工具与最相同的终极规范共享为WBE所需的活动数据。
  4. 结合多种显微镜方式,如EM和Light(我们似乎已经存在了其中一些脑袋),蛋白质标记,以改善脑组织部分中生理成分的鉴定。
  5. 从脑切片图像堆叠(特别是在ConnectMics中使用的EM图像)开发自动分段,识别,3D重建和转换到功能模型参数。随着该所得的,可以测试这种识别和重建的限制,其依赖于(当不与BAM数据配对时)从结构和功能之间的相关性的概率分布中采样。
  6. 通过进一步开发串行成像的机械自动化来提高Connectomics中的吞吐量(与...密切相关)Ken Hayworth的工作2, 当然)。与此相关,进一步提高了Connectomics工作的脑组织制剂的质量(见脑保存基础)。
  7. 探索信号检测和刺激模态的整个树,以及它们的可能实现为a)bam和b)Connectomics,该过程已经开始与所谓的POBAM组的工作开始3.(大脑活动映射的物理学)和Adam Marblestone等人的各种出版物。As this progresses, you get to the development of hybrid technology applications where the strengths of each modality (e.g. ultrasound, opto-electrics, biochemical sensing, etc.) are employed where best suited, so that hurdles that any one of them faces indivually are overcome. There is a pretty strong group working on this right now, which promises advances in BAM in the next 5 years similar to the ones we’ve seen in connectomics over the last 5 years.
  8. 亚博体育苹果app官方下载系统化(甚至超过Allen Institute)的基本神经生理调查的过程,为了继续和完成对脑功能(所有受体类型,蛋白质等)所涉及的所有生理成分的识别和机械理解。虽然如果BAM和Connectomics工作足够好以识别系统功能和系统交互,则可能并非所有最终都必须最终需要,但更多的理解有时可能会成为游戏更换器,并且当然有助于验证,以及在生物学中的问题的治疗亚博体育苹果app官方下载脑。

当然还有更多,但正如我已经提到的那样,这是目前正在进行重的改造。此外,我认为仍然有价值完成C.Elegans的映射和建模,但我怀疑脑袋神经假肢(例如Berger Group的海马和前额外皮质工作)进一步成功影响加速研究的影响,是一种更好的代表性,作亚博体育官网为原则上的原则上,即哺乳动物脑组织的神经高原替代。


卢基:在建议#2你提到的C. Elegans.'“奇怪”。你在想什么奇怪的是什么?


兰德尔:首先,C.elegans中的神经元不会飙升。该系统在亚博体育苹果app官方下载子阈值通信上运行。其次,C.Elegans的302神经元都是非常独特的,不同的类型,基本上不同的类型,其自身履行相当复杂的功能(非冗余和非分布)。如果你要与人类大脑进行比较,那么它更像是302种不同的大脑区域。

一种更好的“小”动物,与哺乳动物在其大脑的各种功能方面与哺乳动物进行比较(如可视化处理,使用四肢的运动,等等)是果蝇果蝇,例如,这是研究的主要动物在Janelia Farms Labs。


卢基:你猜到科学家将成功模仿A的猜测是什么?Drosphila.脑?(使用您更喜欢“成功”的任何解释。)


兰德尔:显然,我不能非常详细地了解这种远程猜测。

I’d say that if the brain activity map stuff develops in the next 5 years the way connectome stuff developed in the past 5 years, then in about 5-7 years it might be a conceivable / feasible / budegatable thing to propose a project to map the drosophila brain and to emulate it in a first, draft version of an emulation. I would expect that such a proposal would map out something on a duration of 8-10 years. So, I would think that the earliest date by which we could expect first emulations of drosophila brain is about 15-17 years out.

那里有两个有趣的事情需要考虑:

  1. 同时,即使这些患者为单曲而不是“全脑”,也会对人类患者建造有用的神经假肢的并行轨道发生了什么
  2. 除了规模之外,果蝇脑仿真和人脑仿真之间是否有任何区别?IE。一旦您开始迭代果蝇仿真的改进版本,这会影响竞争和资金的动机,以将程序扩展到人类?

卢基:您个人希望在亚博体育官网未来5年内进行多个方面的研究?


兰德尔:我个人希望始终申请我对路线图的分析表明我的活动可以具有最有用的影响。这对我来说是最重要的,我已经一直在几年内调整了我的活动。

除此之外,我很兴趣与系统识别所需的分辨率和带宽进行神经接口平台的开发非常感兴趣。亚博体育苹果app官方下载

这些考虑因素,大图焦点和应用于所需要的,并且在目前在接下来的5年里思考时,那些现在在我的角度领域。


卢基:谢谢,兰德尔!


  1. 神经尘埃,目前达到126um
  2. 另见:Hayworth,K. 2013。保留和映射大脑的连接。全球未来2045(2013)。诉讼程序。
  3. 看: