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大脑控制建模：综述
神经刺激技术因其在治疗癫痫、帕金森病和抑郁症等疾病方面的潜力而受到神经科学和控制界的广泛关注。所提供的刺激可以是不同类型的，例如电、磁和光遗传学，并且通常应用于大脑的特定区域，以驱动局部和/或整体神经动态达到所需的（不）活动状态。然而，对于大多数神经刺激技术而言，对其功效的潜在理论理解仍然缺乏。从控制理论的角度来看，重要的是要了解每种刺激方式如何与大脑固有的复杂网络动态相互作用，以评估系统的可控性并开发可用于系统地和闭环设计刺激配置文件的神经生理学相关计算模型。在本文中，我们回顾了 1）深部脑刺激、2）经颅磁刺激、3）直流电刺激、4）经颅电刺激和 5）光遗传学的计算建模研究，这五种神经刺激技术在研究和临床环境中最为流行和常用。对于每种技术，我们将所审查的研究分为 1）理论驱动的生物物理模型，捕捉刺激源和神经组织之间相互作用的低级物理，2）数据驱动的刺激-反应模型，捕捉刺激对各种感兴趣的生物标志物的端到端影响，以及 3）数据驱动的动态系统模型，从神经数据中提取大脑对神经刺激反应的精确动态。虽然我们特别关注后一类，因为它们在控制设计中更有用，但我们回顾了前两类中的关键工作，作为动态系统模型已经和将要开发的基础和背景。在所有情况下，我们强调了动态系统模型的优势和潜力。
CORNN：循环神经网络的凸优化，用于快速推断神经动力学
光学和电生理记录技术的进步使得记录数千个神经元的动态成为可能，为解释和控制行为动物的大量神经元开辟了新的可能性。从这些大型数据集中提取计算原理的一种有前途的方法是训练数据约束的循环神经网络 (dRNN)。实时进行此类训练可以为研究技术和医学应用打开大门，以在单细胞分辨率下建模和控制干预措施并驱动所需的动物行为形式。然而，现有的 dRNN 训练算法效率低下且可扩展性有限，使得即使在离线场景下分析大量神经记录也具有挑战性。为了解决这些问题，我们引入了一种称为循环神经网络凸优化 (CORNN) 1 的训练方法。在模拟记录研究中，CORNN 的训练速度比传统优化方法快 100 倍左右，同时保持或提高了建模准确性。我们进一步在数千个执行简单计算（例如 3 位触发器或定时响应的执行）的单元模拟中验证了 CORNN。最后，我们表明，尽管生成器和推理模型之间存在不匹配、观察到的神经元严重子采样或神经时间尺度不匹配，CORNN 仍可以稳健地重现网络动态和底层吸引子结构。总体而言，通过在标准计算机上以亚分钟级处理时间训练具有数百万个参数的 dRNN，CORNN 迈出了实时网络重现的第一步，该网络重现受限于大规模神经记录，并且是促进神经计算理解的强大计算工具。
大脑之间的串扰的最新进展 -
脑衍生的神经营养因子（BDNF）是大脑内的关键神经营养蛋白，通过选择性激活TRKB受体，对神经发育，突触可塑性，细胞完整性和神经网络动态产生多模式的影响。In parallel, glucocorticoids (GCs), vital steroid hormones, which are secreted by adrenal glands and rapidly diffused across the mammalian body (including the brain), activate two different groups of intracellular receptors, the mineralocorticoid and the glucocorticoid receptors, modulating a wide range of genomic, epigenomic and postgenomic events, also expressed in the神经组织，与神经发育，突触可塑性，细胞稳态，认知和情感处理有关。最近的研究证据表明，这两个主要的调节系统在各个层面上相互作用：它们具有共同的细胞内下游途径，GCS在某些条件下对BDNF的表达差异化，BDNF在某些条件下拮抗GC诱导的对长期增强的影响对长期增强对长期的影响，神经性出生和细胞死亡的影响，而GCS则在GCS进行了gccs interaneal and nistanal and and and and and and and and and and and and and and anfn。当前，BDNF-GC串扰特征主要在神经元中研究，尽管初始发现表明，对于其他脑细胞类型，例如星形胶质细胞，这种串扰可能同样重要。阐明BDNF-GC相互作用的精确神经生物学意义，以示波器方式进行，对于理解脑功能和功能障碍的微妙之处至关重要，对神经退行性和神经性衰弱和神经性疾病疾病，情绪疾病，情绪障碍，情绪和认知策略的影响至关重要。
最佳非线性控制在整个大脑中的应用......
我们应用最优非线性控制框架来控制 FitzHugh-Nagumo 振荡器的全脑网络的动态。其节点对应于基于图谱的人类大脑皮层分割的皮质区域，节点间耦合强度来自人类大脑连接组的扩散张量成像数据。节点采用无延迟的加法方案耦合，并由具有固定均值和加性高斯噪声的背景输入驱动。节点的最佳控制输入是通过最小化成本函数来确定的，该成本函数惩罚与期望网络动态的偏差、控制能量和空间非稀疏控制输入。使用背景输入的强度和整体耦合强度作为序参数，网络的状态空间分解为由高振幅极限环分隔的低活动和高活动固定点区域，所有这些区域都定性地对应于孤立网络节点的状态。然而，沿着边界，可以观察到额外的极限环、异步状态和多稳态。将最优控制应用于几个状态切换和网络同步任务，并将结果与同一连接组的线性控制理论的可控性度量进行比较。我们发现，后者关于节点在控制网络动态方面的作用的直觉（仅基于连接组特征）通常不会延续到非线性系统中，正如之前所暗示的那样。相反，在最优非线性控制下，节点的作用关键取决于指定的任务和系统在状态空间中的位置。我们的研究结果为大脑网络状态的可控性提供了新的见解，并可能为设计新的非侵入性脑刺激范式提供灵感。
量子态测量的储层计算方法
高效的量子态测量对于最大限度地从量子系统中提取信息非常重要。对于多量子比特量子处理器而言，开发可扩展的架构以实现快速和高保真读出仍然是一个尚未解决的关键问题。在此，我们提出使用储层计算作为超导多量子比特系统量子测量的资源高效解决方案。我们考虑一个小型的约瑟夫森参数振荡器网络，它可以以最小的设备开销实现，并且与被测量子系统位于同一平台上。我们从理论上分析了这种设备作为储层计算机的运行，以根据量子统计特征对随机时间相关信号进行分类。我们将该储层计算机应用于联合多量子比特读出的测量轨迹的多项分类任务。对于现实条件下的 2 量子比特色散测量，我们证明了分类保真度可靠地超过最佳线性滤波器，仅使用 2 – 5 个储层节点，同时需要的校准数据少得多 — 每个状态只需几次拍摄。我们通过分析网络动态来了解这一卓越性能，并直观地了解储层处理。最后，我们演示了如何操作该设备以同等效率和轻松校准的方式执行 2 量子比特状态断层扫描和连续奇偶校验监控。该储层处理器避免了其他机器学习框架常见的计算密集型训练，并且可以作为集成低温超导设备实现，用于在计算边缘低延迟处理量子信号。
食品欺诈揭露
全球食品供应链环境越来越复杂，在食品信息沿链条上移动时提出了挑战，以维护食物信息的完整性。给定的背景是由参与者之间的零散协作和信息交流不良的促进，再加上缺乏凝聚力的可追溯性和质量系统。近年来，区块链技术（BCT）已成为创建更多统一连锁店的有希望的解决方案，它通过提供没有中介的历史记录。严格探讨了荷兰肉鸡链的情况，这项研究着重于定义质量和可追溯性市场设备的信誉，同时还确定了与BCT实施相关的驱动因素和障碍。从执行文献综述中提取了一个行业概述，然后是对兄弟链股东的访谈（n = 11）进行的主题内容分析。受访者强调了诸如准确性，透明度，公平性和信息基础上的信息，以将信誉归因于市场设备。供应链中的公司规模和网络动态，成为影响BCT实施的关键方面。垂直整合（VI）链提到的障碍很少，并且通常解释了组织中已经实施的Simil-BCT系统。孤立的公司指出了更大的挑战，包括供应链准备，以开放和协作，缺乏对系统的知识以及极大的隐私问题。尽管存在差异，但两个小组都承认驱动因素，例如通过实施BCT实施对产品完整性维护的透明度和信任。这项研究阐明了荷兰肉鸡链的分裂动态，并且可以通过教育股东了解BCT的潜在应用，尤其是突出了系统的隐私边界，并逐步促进了更开放和更合作的行业动态。
尼古丁急剧改变大脑静息状态的时间特性
背景：尼古丁依赖者改变了神经认知网络的活动，例如默认模式 (DMN)、突显性 (SN) 和中央执行网络 (CEN)。一种理论认为，在长期吸烟者中，戒除尼古丁会推动更多与 DMN 相关的内部处理，而尼古丁替代会抑制 DMN 并增强 SN 和 CEN。然而，急性尼古丁是否会影响非吸烟者的网络动态尚不清楚。方法：在一项随机双盲交叉研究中，17 名健康非吸烟者（8 名女性）在收集静息状态功能性磁共振成像 (fMRI) 之前两天服用安慰剂和尼古丁（2 毫克片剂）。先前定义的 462 名个体的大脑状态与包括 DMN、SN 和 CEN 在内的特征明确的静息状态网络在空间上重叠，这些状态被用于计算静息状态下的特定状态动态：处于该状态的总时间、进入后在每个状态中的持久性以及状态转换的频率。我们检查了尼古丁是否会急剧改变这些静息状态动态。结果：出现了显著的药物与状态相互作用；事后分析表明，与安慰剂相比，尼古丁抑制了额岛-DMN 状态（后扣带皮层、内侧前额叶皮层、前岛叶、纹状体和眶额皮层）所花费的时间，并增加了 SN 状态（前扣带皮层和岛叶）所花费的时间。在持久性和频率方面没有观察到显著的发现。结论：在非吸烟者中，尼古丁会使静息状态下的大脑功能偏离额岛-DMN，而偏向 SN，这可能会降低内部聚焦认知并增强显着性处理。虽然过去的研究表明尼古丁会影响 DMN 活动，但当前的研究表明尼古丁对与沉思和抑郁相关的特定 DMN 类网络有影响。
使用临床前成像技术探索啮齿动物模型中的大脑功能原理及其与人类精神疾病的相关性
亲爱的编辑，我们最近在《转化精神病学》上发表了一篇文章，探讨了在全脑水平上评估脑功能的策略 [1]。在这篇评论中，我们介绍了几种方法，从功能性磁共振成像到功能性超声再到钙成像。对于每一种技术，我们都简要介绍了它的发展历史、物理概念、一些关键应用、潜力和局限性。我们得出的结论是，在网络水平上对啮齿动物大脑进行成像的方法正在不断发展，并将增进我们对大脑功能的理解。Zhuo 和同事的一篇评论进一步增加了解决精神病学学科从动物模型到患者的“转化”问题的复杂性 [2]。他们提出，需要彻底审查用于开发精神疾病动物模型的方法，甚至可能需要修改。例如，迄今为止，大多数精神疾病的啮齿动物模型都是使用简单的药物输注 [3] 和/或社会心理刺激 [4] 建立的。然而，关键问题是这些操作如何改变大脑的结构和功能，以及这些模型是否真正反映了人类精神疾病的病理生理学。特别是因为很难评估是否可以说从啮齿动物到人类存在逆向推理。这是一个真实且可以接受的说法。然而，这正是临床前成像旨在实现的。通过绘制动物模型中大脑网络的动态响应，并将其（如果可能）与临床研究中报告的响应进行比较，我们可以获得定量数据和参数，以确定我们的模型是否有效转化 [ 5 ]。如果这些指标表明网络级修改在时间和空间上与在人类中观察到的相似，我们可以利用更具侵入性和更具体的方法来进一步研究动物模型中的大脑记录。否则，我们必须有信心和正确性继续前进并尝试其他解决方案。最近有两个例子。 2019 年，我们证实了小鼠蓝斑核 (LC) 去甲肾上腺素能活性与大量大型脑网络（尤其是突显网络和杏仁核网络）的参与之间存在因果关系 [6]。此外，我们还可以将网络变化与去甲肾上腺素 (NE) 周转的直接标志物以及 NE 受体在整个脑部的分布联系起来。特定脑网络动态与 LC 活性和 NE 受体密度相关的假设源自人类压力研究和药理学研究 [7,8]。然而，由于不可能选择性地刺激人类的 LC，因此十多年来，这一假设一直只是一个假设。
社论：迈向并超越人类水平的人工智能
目前，人类水平的人工智能 [也称为“强人工智能”、“通用人工智能 (AGI)”等] 是科学界和公众最感兴趣的问题之一。然而，由于许多客观和主观原因（Bostrom，2014），该领域的具体研究和工程工作很少。下面回顾了我们研究主题中发表的四篇论文，然后简要概述了 AGI 的最终发展。本主题的第一篇文章（Karimpanal 和 Bouuffanais）重点关注强化学习算法中改进经验重放技术的问题。为了更有效地学习，作者提出了一种选择合适的转换序列来加速学习的方法。新方法结合了跟踪和存储、构建和重放与更高幅度的时间差异误差相关的合适转换序列。该方法在离策略环境中针对诸如水坑世界和山地车等任务进行了评估，结果表明，通过可控记忆参数，学习速度显著提高。Tapia 等人的论文与我们的大脑通过观察与环境有效互动所需的运动主题来构建和学习的能力有关。作者开发了一种基于动作语义知识、利用神经网络动态构建随时间变化情况下的行为的模型。他们的研究结果指出，在认知层面存在某种形式的静态内部表征机制，涉及构建广义地图的决策和战略规划。在虚拟击剑（防守和进攻）战斗游戏的任务中报告了认知运动技能的结果，并使用真实机器人进行了实验验证。在简要概述中，Bac 和 Zinovyev 描述了将多维空间投影到类比蜥蜴脑任务指定的低维空间的现代方法。他们的评论基于数学投影理论的概念，提供了关于局部固有维数的见解，有助于在实际中选择提取和检测 AI 应用中有用的低维表示的方法。他们列出了 100 篇参考文献，展示了几种以相似性或不相似性为特征的注入、投影和多重流形技术。因此，开发新的数学数据分析方法是现在和不久的将来创建学习系统的最重要任务之一。最后，Tyukin 等人开发了一个框架，用于知识在 AI 系统中传播的过程，而无需大量计算资源。他们展示了 AI 系统如何使用预训练的卷积神经网络为独立的 AI 代理创建训练环境。作者使用了两种学习算法来完全自动化知识和经验的传递，其中一个算法充当“老师”，另一个算法充当“学生”。该框架用于视频流中的自动行人检测，并表现出对过滤假阳性和假阴性错误的极高选择性。
非人类灵长类动物神经活动动态的闭环光遗传学控制 B. Zaaimi 1,2,& , M. Turnbull 1,& , A. Hazra 1 , Y. Wang 3 ,
非人灵长类动物神经活动动态的闭环光遗传学控制 B. Zaaimi 1,2,& 、M. Turnbull 1,& 、A. Hazra 1 、Y. Wang 3 、C. Gandara 1 、F. McLeod 1 、EE McDermott 1 、E. Escobedo-Cousin 4 、A. Shah Idil 5 、RG Bailey 4 、S. Tardio 4 、A. Patel 4 、N. Ponon 4 、J. Gausden 4 、D. Walsh 1 、F. Hutchings 3 、M. Kaiser 3,6,7,8 、MO Cunningham 9 、GJ Clowry 1 、FEN LeBeau 1 、TG Constandinou 10 、SN Baker 1 、N. Donaldson 5 、P. Degenaar 4、A. O'Neill 4、AJ Trevelyan 1 和 A. Jackson 1,* 1 纽卡斯尔大学生物科学研究所，纽卡斯尔 NE2 4HH，英国。2 当前地址：阿斯顿大学生命与健康科学学院，伯明翰 B4 7ET，英国。3 纽卡斯尔大学计算学院，纽卡斯尔 NE4 5TG，英国。4 纽卡斯尔大学工程学院，纽卡斯尔 NE1 7RU，英国。5 伦敦大学学院医学物理与生物医学工程系，伦敦 WC1E 6BT，英国。6 NIHR，诺丁汉生物医学研究中心，诺丁汉大学医学院，NG7 2UH，英国。7 彼得·曼斯菲尔德爵士影像中心，诺丁汉大学医学院，NG7 2UH，英国。8 上海交通大学医学院，上海，中国。 9 爱尔兰都柏林圣三一学院医学院，都柏林 2。10 英国帝国理工学院电气与电子工程系，伦敦 SW7 2AZ，英国。 *通讯作者，andrew.jackson@ncl.ac.uk & 这些作者贡献相同。电神经刺激可有效治疗神经系统疾病，但相关的记录伪影通常将其应用限制在开环刺激。然而，通过将并发电记录和光遗传学配对可以实现对大脑活动的实时和连续闭环控制。在这里，我们表明，使用兴奋性视蛋白的闭环光遗传刺激能够精确操纵转基因小鼠和麻醉非人类灵长类动物脑切片中的神经动力学。该方法在静止组织中产生振荡，增强或抑制活动组织中的内源性模式，并调节由惊厥剂 4-氨基吡啶引起的癫痫样爆发。光学刺激相位依赖效应的非线性模型再现了与癫痫发作振荡相关的局部场电位周期调制，癫痫发作相空间轨迹的变异性和熵的系统性变化证明了这一点，这与癫痫发作持续时间和强度的变化相关。我们还表明，可以使用结合发光二极管的皮质内光极来实现闭环光遗传神经刺激。闭环光遗传学方法可能具有转化治疗应用。许多神经系统疾病会导致网络动态改变，特征是脑区内和脑区之间振荡同步性异常低或高 1 。神经调节疗法，例如深部脑刺激 (DBS)，通常会提供“开环”电刺激序列，试图破坏病理模式并将脑活动保持在一定功能状态范围内。然而，从控制理论的角度来看，开环方法通常不如包含基于系统实时状态的反馈的闭环控制 2 。因此，如果通过持续的电生理测量控制神经调节疗法，可能会更有效 3,4 ，例如增强有益的振荡或破坏病理性脑状态，如癫痫发作。不幸的是，闭环神经刺激的许多潜在应用受到与电刺激相关的大量伪影的阻碍，尤其是在监测和调节相同的局部神经元群时。这通常会将控制策略限制为简单的决定，即打开或关闭原本连续的刺激序列 5,6 。由于用于光遗传学的光刺激可以在不妨碍同时进行电记录的情况下传递，因此可以通过脑信号实时连续调制光刺激，从而实现与局部网络的真正闭环交互。尽管有相当大的理论动机 7 ，但迄今为止，闭环光遗传刺激的实验演示仅限于体外制剂 8 和啮齿动物正常脑节律的体内实验 9-12 。在这里，我们的目标是通过展示在非人类灵长类动物中闭环操纵网络动力学的可行性并检查其对病理性癫痫样活动的影响，将这项技术推进到人类的治疗应用。此外，我们比较了通过外部光源传递的光刺激和包含封装这通常会将控制策略限制为简单的打开或关闭决策，否则就会产生连续的刺激序列 5,6 。由于用于光遗传学的光刺激可以在不妨碍同时进行电记录的情况下传送，因此可以通过脑信号实时连续调制它，从而实现与局部网络的真正闭环交互。尽管有相当大的理论动机 7 ，但闭环光遗传刺激的实验演示迄今为止仅限于体外制剂 8 和啮齿动物正常脑节律的体内实验 9-12 。在这里，我们旨在通过展示在非人类灵长类动物中闭环操纵网络动力学的可行性并检查其对病理性癫痫样活动的影响，将这项技术推进到人类的治疗应用。此外，我们将通过外部光源传送的光刺激与包含封装这通常会将控制策略限制为简单的打开或关闭决策，否则就会产生连续的刺激序列 5,6 。由于用于光遗传学的光刺激可以在不妨碍同时进行电记录的情况下传送，因此可以通过脑信号实时连续调制它，从而实现与局部网络的真正闭环交互。尽管有相当大的理论动机 7 ，但闭环光遗传刺激的实验演示迄今为止仅限于体外制剂 8 和啮齿动物正常脑节律的体内实验 9-12 。在这里，我们旨在通过展示在非人类灵长类动物中闭环操纵网络动力学的可行性并检查其对病理性癫痫样活动的影响，将这项技术推进到人类的治疗应用。此外，我们将通过外部光源传送的光刺激与包含封装