当前位置:

首页 > 图像处理 > 业界资讯 > 新算法实现超过96%的聚类精度,大幅提升脑机接口性能

新算法实现超过96%的聚类精度,大幅提升脑机接口性能

编辑|萝卜皮使用多个电极来记录神经元活动是一种常用的方法,可以帮助我们了解大脑的功能机制。通过增加电极数量,科学家能够更准确地解码不同类型的功能。然而,由于硬件资源有限和不可避免的热组织损伤,处理大量多通道电生理数据仍然是具有挑战性的任务。韩国大邱庆北科学技术院的研究团队提出了一种利用机器学习技术进行高频神经元尖峰信号重建的方法。该方法基于二次采样的低频信号,通过机器学习算法对信号进行重建。这种方法可以有效地提取高频神经元活动的信息,并且能够准确地还原原始信号。研究团队通过实验验证了该方法的有效性,证明了

本文目录

    聚类精度超96%,机器学习新算法可实现更高脑机接口性能

    编辑 | 萝卜皮

    使用多个电极来记录神经元活动是一种常用的方法,可以帮助我们了解大脑的功能机制。通过增加电极数量,科学家能够更准确地解码不同类型的功能。然而,由于硬件资源有限和不可避免的热组织损伤,处理大量多通道电生理数据仍然是具有挑战性的任务。

    韩国大邱庆北科学技术院的研究团队提出了一种利用机器学习技术进行高频神经元尖峰信号重建的方法。该方法基于二次采样的低频信号,通过机器学习算法对信号进行重建。这种方法可以有效地提取高频神经元活动的信息,并且能够准确地还原原始信号。研究团队通过实验验证了该方法的有效性,证明了其在神经科学研究中的潜在应用价值。这一研究成果为神经科学领域的研究提供了新的思路和方法,有

    受到图像处理中高频恢复和超分辨率等效性的启发,研究人员运用Transformer ML模型对来自体外培养物和体内雄性小鼠大脑中记录的神经元数据进行了处理。即使在使用了x8下采样的数据集的情况下,该团队的模型也能有效地估计尖峰活动的高频信息,包括尖峰时间、波形以及网络连接。

    该研究以「Machine learning-based high-frequency neuronal spike reconstruction from low-frequency and low-sampling-rate recordings」为题,于 2024 年 1 月 20 日发布在《Nature Communications》。

    聚类精度超96%,机器学习新算法可实现更高脑机接口性能

    脑机接口

    神经元活动的多通道记录对于脑机接口(BMI)至关重要,它可以解码运动意图和大脑功能连接。目前,BMI技术已经利用了多个植入电极记录的细胞外信号,如尖峰和局部场电位(LFP)。最新的神经记录硬件进展主要集中在增加同时记录电极的数量,以获取更丰富的信息并进行详细的网络分析。

    记录的电极数据越多,科学家可以进行更广泛的功能分类,以便进行精确的相关操作。为了实现高效长期植入的记录系统,实现无线数据传输也进行了大量研究。通过这些努力,已证明无线设备可以在植入的灵长类动物中实时进行操作。

    处理大量神经数据有局限性

    尽管取得了这些进步,但当前的 BMI 技术在处理大量神经数据方面仍然存在局限性。大多数BMI系统采用单单元尖峰活动来增强解码性能;然而,为了捕获通常在毫秒时间尺度内发生的单个尖峰,记录仪器需要至少 10kHz 或更高的采样率。

    此外,更多的电极需要更大的存储内存,并导致记录和无线通信中更高的功耗,导致显著的散热。在植入式脑机接口中应避免这种加热,因为它会对周围的生物组织造成热损伤,特别是对于将多路电子器件集成到探针柄中的基于 CMOS 的有源神经探针或完全植入的无线神经传感器。

    为了通过减少记录数据量来缓解这些限制,采用了几种降低数据采样的技术,已经提出了诸如自适应采样、压缩感知、基于尖峰频带功率的解码、降级信号质量、片上压缩和片上尖峰检测等技术。虽然这些方法在显著减少数据方面显示出有希望的结果,但它们在高级 BMI 中的应用仍然有限。神经元信号的更宽带宽,不仅包括高频带尖峰,还包括低频带信号(例如 LFP),与 BMI 所必需的大脑功能密切相关。

    迫切需要一种新算法

    近期科学家提出了单独使用 LFP 或与尖峰相结合的技术,用于弥补基于尖峰的 BMI 的主要局限性:长期测量一致的困难以及高采样记录的需要。然而,现有的数据缩减算法旨在主要关注尖峰活动,因此难以应用于低频信号并提供有限的信息。

    此外,现有方法通常需要定制设计的记录硬件,在数据传输之前进行片上信号预处理,例如用于实现单独算法的编码器或用于通过识别阈值交叉事件或表征尖峰波形来检测尖峰以及用于将尖峰转换为二进制形式的附加电路。这也限制了最先进的 BMI 技术的普遍适用性。因此,迫切需要开发一种普遍适用、不受信号类型限制且与通用记录硬件兼容的神经数据缩减算法。

    新的 ML 框架

    在最新的研究中,DGIST 的研究人员提出了一个机器学习(ML)框架,用于从二次采样的低频信号中重建高频神经元尖峰。

    聚类精度超96%,机器学习新算法可实现更高脑机接口性能

    图示:使用机器学习模型从下采样的低频数据集中重建高频神经元尖峰。(来源:论文)

    该方法可以通过低通滤波和对获取的神经元信号进行简单的下采样来减少神经记录数据量。将这种下采样低通滤波 (LPF) 数据输入到 ML 模型并结合信号插值可以恢复具有高时间分辨率的高频神经元信号。它能够减少记录数据,同时获得宽带宽的神经元信号。

    研究人员假设为图像超分辨率任务引入的 ML 模型(通过恢复高频细节从低分辨率图像中恢复高质量图像)可以适合尖峰恢复问题。为了测试这个假设,团队利用 Transformer 构建了一个名为 Spk-Recon 的尖峰重建机器学习模型,该模型使用二次采样的低频神经记录数据作为输入。

    研究人员将 Spk-Recon 模型应用于体外海马神经元和体内小鼠大脑的多通道神经记录数据集。通过传统的定时和波形定量尖峰分析,研究人员证明 Spk-Recon 模型可以从显著下采样的低频神经元信号中重建准确的尖峰,尖峰出现的命中率接近 0.8−0.9,尖峰排序的聚类精度超过 96%。

    聚类精度超96%,机器学习新算法可实现更高脑机接口性能

    图示:Spk-Recon 模型架构和训练示意图。(来源:论文)

    该团队基于 Spk-Recon 的恢复可以同时获取从 LFP 到尖峰的广泛频率范围内的丰富神经元信号:通过以低采样率直接记录的低频段 LFP 和通过基于 ML 的重建来获取高频段尖峰。以前的数据缩减技术工作有限地集中于仅获取尖峰的高频带。尽管已经有一些研究使用线性或非线性模型来估计低频 LFP 的尖峰,但它们仍然处于仅推断放电率或获得尖峰时序的水平,而不是整个尖峰波形特征。

    由于能够同时获取 LFP 和尖峰,该方法可以提供更丰富的神经元信息,有助于基于尖峰触发的 LFP 平均分析 LPF-尖峰相关性或大脑功能连接。特别是,甚至能够以尖峰排序所需的高时间分辨率恢复波形特征,对于开发使用 LFP 和单单元尖峰的高级 BMI 非常有用。所有这些都可以通过传统的神经记录硬件以低记录数据量来实现。

    从硬件应用的角度来看,该团队减少神经元数据量的方法具有很高的通用性。研究人员通过典型的神经记录硬件以统一较低的采样率获取低频段信号,并通过基于机器学习的软件恢复高采样尖峰。也就是说,应用他们的模型的数据量减少的信号采集可以在各种商业或定制的多通道神经记录系统中实现,而无需额外的硬件修改。

    另外,考虑到最近增加记录电极数量的研究,它将允许在相同的硬件资源内从更多电极收集神经元信号或收集更长的持续时间。研究人员期望它为开发下一代脑机接口开辟新的方向,能够更深入地分析和控制大脑功能,同时减少硬件资源和最小化热组织损伤。

    聚类精度超96%,机器学习新算法可实现更高脑机接口性能

    图示:体外数据集的信号重建。(来源:论文)

    最后,Spk-Recon 可以为各种类型的神经记录之间的信号估计提供通用框架。该框架可以从较低频段信号恢复高频信息。这种功能可应用于通过不同记录方式测量的神经元活动,如皮质内记录、皮质电图描记术 (ECoG) 和脑电图描记术 (EEG)。例如,从 ECoG 到尖峰或从 EEG 到 ECoG 的低频到高频信号恢复是可能的。

    此外,通过利用能够实现全网络细胞内记录的最新MEA技术,还可以实现从细胞外记录重建细胞内神经元信号,例如动作电位或阈下突触信号。通过开发基于多模式或多尺度信号且物理侵入性较小的新系统,可以实现更高的脑机接口性能。

    论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-44794-2

    本站声明:本文内容由网友自发贡献,版权归原作者所有,本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容,请联系bd@zhengruan.com
    作者最新文章
    图像处理 业界资讯 机器学习 理论
    相关文章 更多
    OPPO 即将行业首发 5.5G 技术 理论可实现 10 倍连接速率提升
    OPPO 即将行业首发 5.5G 技术 理论可实现 10 倍连接速率提升

    3月28日,OPPOFind系列产品负责人周意保在微博发文,表示OPPO已经进入了5.5G时代。OPPOFindX7系列周意保在微博上传了一张截图,图中的手机锁屏界面右上方状态栏信号一栏显示为5GA,也就是人们更加熟悉的5.5G。此外,周意保也发文称:"和大家一起进入5.5G新移动网络时代!"宣布了5.5G新移动网络时代的到来。OPPOFind系列产品负责人周意保微博有博主表示,OPPOFindX7系列即将行业首发支持5G-A(5.5G),OTA固件已经准备好了。5G-A理论上可以实现10倍提升的连接速率

    机器学习之父MichaelJordan:AGl是炒作,AI的下一个战场是经济学
    机器学习之父MichaelJordan:AGl是炒作,AI的下一个战场是经济学

    机器学习奠基人MichaelJordan认为AGI是公关炒作,AI的真正挑战在于让系统学会协调。他主张机器学习必须与经济学结合,关注不确定性、激励机制和数据流动等社会系统性问题,而非单纯追求模型能力。

    手写线程池,对照学习ThreadPoolExecutor线程池实现原理!
    手写线程池,对照学习ThreadPoolExecutor线程池实现原理!

    持续坚持原创输出,点击蓝字关注我吧 ❝ 沉淀、分享、成长,让自己和他人都能有所收获! ❞ 目录 一、前言二、面试题三、线程池讲解1. 先看个例子2. 手写一个线程池3. 线程池源码分析四、总结五、系列推荐一、前言人看手机,机器学习!正好是2020年,看到这张图还是蛮有意思的。以前小时候总会看到一些科

    新研究:人类智力奥秘或藏于单个脑细胞中
    新研究:人类智力奥秘或藏于单个脑细胞中

    新研究发现,人类单个神经元计算能力远超其他哺乳动物,因其树突结构复杂且电生理特性独特,可进行复杂运算。这挑战了智力仅依赖神经元数量与连接密度的传统观点,并为人工智能发展提供了新思路。

    deepseek-智能助手入口
    deepseek-智能助手入口

    当前数字时代,deepseek入口智能助手凭借前沿技术架构为用户带来革新体验 在如今这个数字浪潮翻涌的时代,deepseek入口智能助手凭借其前沿的技术架构,为用户带来了真正意义上的革新体验。这个平台巧妙融合了自然语言处理与知识图谱技术,能够精准解析那些看似复杂的语义需求,已然成为提升工作效率的智能

    用相关性分析消除“冗余特征”
    用相关性分析消除“冗余特征”

    刚开始学机器学习时,我也像大部分人 一样,有个很朴素的想法:特征越多,模型能学到的信息就越多,效果自然越好。 所以每次拿到数据,我就拼命往模型里塞特征——能算出来的统计量全加上,能衍生出来的比率全拼上。 一个原本 20 列的数据集,经常被我搞到七八十列。 然后我就发现事情不太对劲了: 训练时间明显变

    用方差阈值过滤掉“惰性特征”
    用方差阈值过滤掉“惰性特征”

    机器学习实战中,大家往往把精力花在调参和选模型上,却忽略了一个更基础的问题:喂给模型的数据里,有多少特征是真正有用的? 刚开始学机器学习那会儿,很多人特别喜欢堆特征——不管有用没用先一股脑全塞进去,总觉得特征越多模型越聪明。直到有一次跑练习数据集,X_train.shape 直接干到了 (50000

    超细空气颗粒物每年致约199万人早亡
    超细空气颗粒物每年致约199万人早亡

    空气中直径小于100纳米的超细颗粒物每年导致约199万人早逝,其中近半因心血管疾病。该颗粒物主要来自化石燃料,可通过呼吸进入血液,引发氧化应激和内皮功能紊乱,是未被充分认识的心血管危险因素。若年均浓度控制在每立方厘米5000个以下,全球超额死亡率可降低约45%。

    当我们用错误的尺子量对了东西,会发生什么?
    当我们用错误的尺子量对了东西,会发生什么?

    这项研究来自Ezgi Korkmaz,论文以预印本形式发布于2026年7月8日,编号为arXiv:2607.07769,发表于cs.LG(机器学习)领域,并将出版于2026年人工智能促进协会(AAAI)会议论文集。有兴趣深入了解的读者可以通过arXiv编号2607.07769查询完整论文。 深度强化

    学少儿编程还是机器人编程
    学少儿编程还是机器人编程

    机器人编程侧重硬件组装与程序驱动,编程受限于特定机器人;少儿编程系统化教授编程知识,从Scratch启蒙延伸至Python、C++等高级语言。两者各有侧重,选择取决于希望孩子提升的能力方向。

    查看更多
    精品专题 更多
    装机必备
    装机必备

    正软商城装机必备专区,精选办公、浏览器、安全防护、影音播放、压缩解压、设计创作和系统工具等电脑常用正版软件,帮助用户快速完成新电脑软件配置。

    Windows
    Windows

    正软商城Windows软件专区,汇集适用于Windows电脑的办公、设计、安全防护、影音播放、开发工具和系统优化软件,提供软件介绍、系统要求、正版授权及购买下载服务。

    PDF教程
    PDF教程

    正软商城PDF教程频道提供PDF编辑、转换、合并、拆分、压缩及格式处理方法,同时介绍常用PDF软件和工具的使用技巧。

    Mac软件 更多
    讯飞智作 网页版
    讯飞智作 网页版
    Windows/ macOS/ Linux

    讯飞智作是一款基于语音合成技术、虚拟人驱动技术与数字人形象声音构建能力的 AI 数字人音视频创作平台。

    火山引擎 网页版
    火山引擎 网页版
    Windows/ macOS/ Linux

    火山引擎是字节跳动旗下企业级云与AI服务平台。聚焦大模型核心能力,依托字节自研豆包多模态大模型,凭借火山方舟一站式平台,提供模型精调、推理部署、智能应用搭建等全链路服务,结合高性能AI算力,助力各行业快速落地大模型数字化与智能化应用。

    Aperty macOS版
    Aperty macOS版
    macOS

    Aperty 是 Skylum 推出的 AI 人像修图软件,支持自然肤质修饰、瑕疵处理、面部与身体调整、预设及批量同步。

    WINDOWS 更多
    讯飞智作 网页版
    讯飞智作 网页版
    Windows/ macOS/ Linux

    讯飞智作是一款基于语音合成技术、虚拟人驱动技术与数字人形象声音构建能力的 AI 数字人音视频创作平台。

    火山引擎 网页版
    火山引擎 网页版
    Windows/ macOS/ Linux

    火山引擎是字节跳动旗下企业级云与AI服务平台。聚焦大模型核心能力,依托字节自研豆包多模态大模型,凭借火山方舟一站式平台,提供模型精调、推理部署、智能应用搭建等全链路服务,结合高性能AI算力,助力各行业快速落地大模型数字化与智能化应用。

    PixTV 网页版
    PixTV 网页版
    Windows

    PixTV 是一款在浏览器中使用的 AI 视觉内容创作平台,提供图片、视频、音频、文字生成、AI 分镜、局部重绘、提示词反推和无限画布等工具,适合短剧、漫剧、广告及社交媒体内容制作。