漫谈生命与信息.ppt

耳蜗中的电极 2、外信号指挥老鼠走迷宫：外信号与鼠脑的交流 Guided rat navigation using brain microstimulation ( Nature 417, 37 - 38 (2002) ) 3、脑电波指挥计算机：人脑与外界的交流 ( Nature 409, 2001 ) Duke University State University of New York MIT Could the Paralyzed Use Thoughts To Command Robotic Limbs? Monkey Think, Robot Do Monkey Think, Robot Do mobile robot brain two-way signal exchange Cyborg: a half-living, half-robot creature Northwestern Univ. Chicago, USA Artifcial Life 2000 是两个信息系统的交流 现在的脑——机交互是机器与脑的直接交流，既不只是宏观模拟，又不是结构模仿，是在信息处理一致性的基础上找到对应的信号所进行的交流，具有新的意义。 BCI说明，人工脑与生物脑在信息处理上机理一致，只需加上中介（Interface）即可交流。 几个例子： 通过脑——机交互，识别脑信息 进而解码脑信息 进而调控脑功能，对认知、医疗等有极大作用 如癫痫抑制： 监测脑的癫痫发作信号，利用外信号输入抑制其发病 阿尔兹海默症震颤的抑制： 在特殊脑区输入电信号 遥控果蝇： 耶鲁大学医学院Susana Lima等在果蝇体内插入一个编码大鼠离子通道的基因，这种特殊的离子通道允许带电粒子在ATP存在的情况下穿过细胞膜，并因此而传递电脉冲。然后用另一种分子包住ATP使之处于不活跃状态，并将之注入果蝇体内。当ATP受紫外激光照射时，便恢复自由状态，从而激活大鼠离子通道，使果蝇神经元产生兴奋。 多巴胺能神经元可影响果蝇的行走，对于那些多巴胺能神经元能表达大鼠离子通道的果蝇来说，激光会使好静的个体变得异常活跃，通过激光就能遥控果蝇跳跃、振翅与飞翔。 利用这种方法可研究很多其它行为，如求偶、交配和觅食等 脑记忆的解码： 林龙年副教授与波士顿大学的钱卓教授用高密度多通道体记录技术，以小鼠为对象，将96根微电极插入小鼠的海马区，成功地记录到多达几百种神经元活动情况。设计几种特殊的行为模式刺激小鼠，研究其神经编码，发现有效放电反应的神经元组成了记忆编码的神经网络单元。这些编码单元通过它们的激活状态，可以把任何一种惊吓经历转化成一串二进制数字 大脑很有可能利用同样的原理来完成其它一系列的高级认知功能。 脑——机交互的信息分析，对认知功能的解码，对治疗神经性疾病乃至其它方面都有重大意义 五、生物和复杂系统 复杂系统的性质： 复杂系统的突现 自相似性，可以用分形维数对它的自相似性进行描述；也可以用分形噪声，通过滤波器的办法来对它进行建模。 混沌行为，吸引子是混沌表达的一种形式。 非线性特征 ，自组织现象 如果将自组织、自繁衍、自死亡和进化这些特性组合起来——基本上具备了生命的基本功能。 复杂系统的自组织再加上控制理论的信息的交换，信息的交换同时调控了物质和能量的交换，把这些东西联系起来可能为我们理解生命的本质提供了一种新的线索和可能性。 反过来，生物体是不是具有复杂系统这些特性呢？ 宏观： 对心脏的跳动和心电图甚至是脑的活动和脑电图的数据进行分析，结果是这些数据具有混沌动力学的特征，是一种混沌行为。 生物的呼吸周期、睡眠周期、生殖周期这些宏观的表现也都具有复杂系统的性质，都具有混沌的性质 生物系统从宏观上具有复杂系统的特性。 微观： DNA序列具有自相似特性，是具有复杂系统性质的。 大肠杆菌DNA全序列中腺嘌呤的100bp浓度分布图与理想的分形序列有相似之处 计算H系数的线性拟合情况 从宏观上来说，生物系统具有复杂系统特性； 从微观上来说，也具有复杂系统特性。 复杂系统的分析方法可能可以对生物系统的分析方法提供另外一种工具，帮助我们理解生物系统内部的性质，以及生物系统的特性是怎么产生的。 复杂系统具有“小社会”的性质 人的社会是复杂系统 互联网也是复杂系统 复杂系统的特性可以使我们理解生命是如何出现的 ——自组织，从无到有 复杂系统特性使我们理解为何生命会保持自身的“结构有序性”，甚至通过进化来提高这种“有序性” 没有复杂系统就没有生命 六、信息科学与生命 这样，就深入到信息、复杂系统本质 可以发现： 生命本质——与信息本质有关 信息科学的出现与三大命题有关，即 生命、智能与复杂系统 三者在信息意义上统一 这统一也达到生物