Введение
Научный журнал
Область исследований
Нейроинформатика – это развивающаяся область, объединяющая информатику и нейронауку. Нейроинформатика связана с данными нейронауки и обработкой информации с помощью искусственных нейронных сетей. Существует три основных направления, в которых нейроинформатика должна применяться:
разработка вычислительных моделей нервной системы и нейронных процессов;
разработка инструментов для анализа и моделирования данных нейронауки; и
разработка инструментов и баз данных для управления и обмена данными нейронауки на всех уровнях анализа. Нейроинформатика охватывает философию (вычислительную теорию сознания), психологию (теорию обработки информации), информатику (натуральные вычисления, вычислительная биология) и другие дисциплины. Нейроинформатика не имеет дела с материей или энергией, поэтому ее можно рассматривать как раздел нейробиологии, изучающий различные аспекты нервных систем. Термин «нейроинформатика», по-видимому, используется как синоним «когнитивной информатики», которая, согласно Journal of Biomedical Informatics, является междисциплинарной областью, ориентированной на обработку информации человеком, механизмы и процессы в контексте вычислений и вычислительных приложений. По данным Немецкой национальной библиотеки, нейроинформатика является синонимом нейрокомпьютинга. На 10-й Международной конференции IEEE по когнитивной информатике и когнитивным вычислениям было представлено следующее определение: Когнитивная информатика (КИ) – это трансдисциплинарное исследование, объединяющее информатику, науку об информации, когнитивную науку и науку об интеллекте. КИ изучает внутренние механизмы обработки информации и процессы мозга и естественного интеллекта, а также их инженерные применения в когнитивных вычислениях. Согласно INCF, нейроинформатика – это область исследований, посвященная разработке баз данных и знаний нейронауки, а также вычислительных моделей.
Field of research
Neuroinformatics is the emergent field that combines informatics and neuroscience. Neuroinformatics is related with neuroscience data and information processing by artificial neural networks. There are three main directions where neuroinformatics has to be applied:
the development of computational models of the nervous system and neural processes;
the development of tools for analyzing and modeling neuroscience data; and
the development of tools and databases for management and sharing of neuroscience data at all levels of analysis. Neuroinformatics encompasses philosophy (computational theory of mind), psychology (information processing theory), computer science (natural computing, bio inspired computing), among others disciplines. Neuroinformatics doesn't deal with matter or energy, so it can be seen as a branch of neurobiology that studies various aspects of nervous systems. The term neuroinformatics seems to be used synonymously with cognitive informatics, described by Journal of Biomedical Informatics as interdisciplinary domain that focuses on human information processing, mechanisms and processes within the context of computing and computing applications. According to German National Library, neuroinformatics is synonymous with neurocomputing. At Proceedings of the 10th IEEE International Conference on Cognitive Informatics and Cognitive Computing was introduced the following description: Cognitive Informatics (CI) as a transdisciplinary enquiry of computer science, information sciences, cognitive science, and intelligence science. CI investigates into the internal information processing mechanisms and processes of the brain and natural intelligence, as well as their engineering applications in cognitive computing. According to INCF, neuroinformatics is a research field devoted to the development of neuroscience data and knowledge bases together with computational models.
Модели нейронных вычислений
Модели нейронных вычислений – это попытки выяснить, абстрактным и математическим путем, основные принципы, лежащие в основе обработки информации в биологических нервных системах или их функциональных компонентах. Ввиду сложности поведения нервной системы, связанные с этим границы экспериментальной погрешности плохо определены, однако относительное достоинство различных моделей конкретной подсистемы можно сравнить по степени воспроизведения ими реального поведения или реакции на специфические входные сигналы. В тесно связанной области вычислительной нейроэтологии принято включать окружающую среду в модель таким образом, чтобы замкнуть контур обратной связи. В случаях, когда конкурирующие модели отсутствуют или измерены/количественно оценены лишь общие реакции, чётко сформулированная модель может направить исследователя при разработке экспериментов для изучения биохимических механизмов или сетевых связей.
Искусственные нейронные сети
Искусственные нейронные сети (ИНС), обычно называемые просто нейронными сетями (НС), — это вычислительные системы, разработанные под вдохновением от биологических нейронных сетей, составляющих мозг животных. ИНС основана на совокупности соединенных единиц или узлов, называемых искусственными нейронами, которые приблизительно моделируют нейроны биологического мозга. Каждая связь, подобно синапсам в биологическом мозге, может передавать сигнал другим нейронам. Искусственный нейрон, получив сигнал, обрабатывает его и может передавать сигнал связанным с ним нейронам. "Сигнал" на связи — это действительное число, а выход каждого нейрона вычисляется как нелинейная функция от суммы его входов. Связи называются ребрами. Нейроны и ребра обычно имеют вес, который изменяется в процессе обучения. Вес усиливает или ослабляет силу сигнала на связи. Нейроны могут иметь порог, при котором сигнал передается только в том случае, если суммарный сигнал превышает этот порог. Как правило, нейроны объединяются в слои. Различные слои могут выполнять различные преобразования входных данных. Сигналы распространяются от первого слоя (входного слоя) к последнему слою (выходному слою), возможно, многократно проходя через промежуточные слои.
Эмуляция мозга и загрузка сознания
Эмуляция мозга – это концепция создания функционирующей вычислительной модели и эмуляции мозга или его части. В декабре 2006 года проект Blue Brain завершил моделирование неокортикального столбика крысы. Неокортикальный столбик считается наименьшей функциональной единицей неокортекса. Неокортекс – это часть мозга, которая, как считается, отвечает за высшие когнитивные функции, такие как сознательное мышление, и содержит 10 000 нейронов в мозге крысы (и 10⁸ синапсов). В ноябре 2007 года проект сообщил о завершении первой фазы, предоставив процесс создания, валидации и исследования неокортикального столбика. В 2007 году исследовательская группа Университета Невады запустила искусственную нейронную сеть, описываемую как "такая же большая и сложная, как половина мозга мыши", на суперкомпьютере IBM Blue Gene. Каждая секунда смоделированного времени требовала десять секунд вычислительного времени. Исследователи утверждали, что наблюдали "биологически согласованные" нервные импульсы, протекающие через виртуальную кору. Однако в моделировании отсутствовали структуры, наблюдаемые в мозге настоящих мышей, и они планируют повысить точность моделей нейронов и синапсов. Загрузка сознания – это процесс сканирования физической структуры мозга с достаточной точностью для создания эмуляции психического состояния (включая долговременную память и "самость") и копирования его на компьютер в цифровом виде. Затем компьютер запустит симуляцию обработки информации мозгом, так что он будет реагировать практически так же, как и исходный мозг, и испытывать наличие разумного сознательного ума. По мнению сторонников, многие инструменты и идеи, необходимые для достижения загрузки сознания, уже существуют или находятся в активной разработке; однако они признают, что другие пока очень спекулятивны, но утверждают, что они все еще находятся в области инженерных возможностей.
Интерфейс мозг-компьютер
Исследования в области мозговых интерфейсов начались в 1970-х годах в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе при поддержке гранта Национального научного фонда, а затем по контракту с DARPA. В публикациях, последовавших за этими исследованиями, впервые в научной литературе появилось выражение "мозговой интерфейс". В последнее время исследования взаимодействия человека и компьютера с применением машинного обучения и статистических временных характеристик, извлеченных из данных ЭЭГ лобной доли, продемонстрировали высокую эффективность в классификации ментальных состояний (расслабленное, нейтральное, сосредоточенное), ментальных эмоциональных состояний (негативное, нейтральное, позитивное) и таламокортикальной дисритмии.
Картирование и моделирование мозга
Мозговое моделирование – это концепция создания функционирующей вычислительной модели мозга или его части. В декабре 2006 года проект Blue Brain завершил моделирование неокортикального столбика крысы. Неокортикальный столбик считается наименьшей функциональной единицей неокортекса. Неокортекс – это часть мозга, которая, как считается, отвечает за высшие когнитивные функции, такие как сознательное мышление, и содержит 10 000 нейронов в мозге крысы (и 10⁸ синапсов). В ноябре 2007 года проект сообщил о завершении первой фазы, предоставив процесс, основанный на данных, для создания, валидации и исследования неокортикального столбика. В 2007 году исследовательская группа Университета Невады запустила искусственную нейронную сеть, описываемую как "такая же большая и сложная, как половина мозга мыши", на суперкомпьютере IBM Blue Gene. Каждая секунда смоделированного времени требовала десять секунд вычислительного времени. Исследователи утверждали, что наблюдали "биологически согласованные" нервные импульсы, распространяющиеся по виртуальной коре. Однако в моделировании отсутствовали структуры, наблюдаемые в мозге настоящих мышей, и они планируют повысить точность моделей нейронов и синапсов.
Загрузка мыслей
Загрузка сознания — это процесс сканирования физической структуры мозга с достаточной точностью для создания эмуляции психического состояния (включая долговременную память и "самость") и копирования его на компьютер в цифровом виде. Компьютер затем запустит моделирование обработки информации мозгом, так что оно будет реагировать по существу так же, как и исходный мозг, и испытывать наличие разумного сознания. Значительные исследования в смежных областях ведутся в области картирования и моделирования мозга животных, разработки более быстрых суперкомпьютеров, виртуальной реальности, нейрокомпьютерных интерфейсов, коннектомики и извлечения информации из динамически функционирующих мозгов. По мнению сторонников, многие инструменты и идеи, необходимые для осуществления загрузки сознания, уже существуют или находятся в активной разработке; однако они признают, что другие пока весьма спекулятивны, но утверждают, что всё ещё находятся в области инженерных возможностей.
Анализ данных и организация знаний
Нейроинформатика (в контексте библиотечной науки) также направлена на развитие знаний в области нейробиологии с использованием вычислительных моделей и аналитических инструментов для обмена, интеграции и анализа экспериментальных данных, а также для развития теорий о функционировании нервной системы. В контексте INCF эта область охватывает научную информацию о первичных экспериментальных данных, онтологиях, метаданных, аналитических инструментах и вычислительных моделях нервной системы. Первичные данные включают эксперименты и экспериментальные условия, касающиеся геномного, молекулярного, структурного, клеточного, сетевого, системного и поведенческого уровней, для всех видов и образцов, как в нормальном, так и в патологическом состоянии. В последнее десятилетие, с накоплением огромных объемов разнообразных данных о мозге, собранных многочисленными исследовательскими группами, возникла проблема интеграции данных из тысяч публикаций для обеспечения эффективных инструментов для дальнейших исследований. Биологические и нейробиологические данные тесно взаимосвязаны и сложны, и сама интеграция представляет собой серьезную задачу для ученых.
История
Национальный институт психического здоровья США (NIMH), Национальный институт по борьбе с наркоманией (NIDA) и Национальный научный фонд (NSF) предоставили Институту медицины Национальной академии наук средства для проведения тщательного анализа и изучения необходимости внедрения вычислительных методов в исследования мозга. Положительные рекомендации были опубликованы в 1991 году. Этот положительный отчет позволил NIMH, возглавляемому в то время Алланом Лешнером, создать "Проект "Мозг человека"" (HBP), первые гранты по которому были присуждены в 1993 году. В дальнейшем Кослоу занимался глобализацией HBP и нейроинформатики через Европейский Союз и Организацию экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), Париж, Франция. В 1996 году возникли две важные возможности. Первая – существование Рабочей группы по биотехнологиям США/Европейской комиссии, которую возглавляли сопредседатели, в том числе Мэри Клаттер из NSF. В рамках полномочий этого комитета, членом которого был Кослоу, был создан Комитет США – Европейской комиссии по нейроинформатике, сопредседателем которого также был Кослоу, представлявший Соединенные Штаты. Благодаря работе этого комитета Европейская комиссия начала поддерживать нейроинформатику в рамках 5-й рамочной программы и продолжает поддерживать исследования и обучение в этой области. Вторая возможность для глобализации нейроинформатики появилась, когда правительства стран-участниц МегаНаучного форума (MSF) ОЭСР были запрошены о наличии новых научных инициатив для международного научного сотрудничества. Управление Белого дома по науке и технологической политике попросило федеральные агентства собраться в NIH, чтобы определить, требуется ли сотрудничество, которое принесло бы глобальную пользу. NIH провел серию совещаний, на которых обсуждались предложения различных агентств. Рекомендация США для MSF представляла собой комбинацию предложений NSF и NIH. Джим Эдвардс из NSF поддерживал создание баз данных и обмен данными в области биоразнообразия. Эти две связанные инициативы были объединены в единое предложение США по "Биологической информатике". Эта инициатива получила поддержку Управления Белого дома по научной и технологической политике и была представлена на MSF ОЭСР Эдвардсом и Кослоу. Был создан комитет MSF по биологической информатике с двумя подкомитетами: 1. Биоразнообразие (председатель – Джеймс Эдвардс, NSF) и 2. Нейроинформатика (председатель – Стивен Кослоу, NIH). По истечении двух лет подкомитет по нейроинформатике рабочей группы по биологической информации опубликовал отчет, поддерживающий глобальные усилия в области нейроинформатики. Кослоу, работая с NIH и Управлением Белого дома по науке и технологической политике, инициировал создание новой рабочей группы по нейроинформатике для разработки конкретных рекомендаций, дополняющих более общие рекомендации первого отчета. Глобальный научный форум (GSF; переименованный из MSF) ОЭСР поддержал эту рекомендацию.