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右手触摸会在躯体感觉皮层的左侧产生神经活动,利用神经工具增强对人类能力、专长和领域知识预测

[据军事与航空电子网站2014年8月5日报道]美国情报研究人员正在考虑一项“神经测量”项目,试图预测人类学习和推理能力,以及某些他们最有可能成为专家的领域。

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预期通常被视为情绪体验,渴望等待某事发生。在大脑内部,预期的行为是一种焦点运动,一种神经准备,传达关于将要发生的事情的重要视觉,听觉或触觉信息。现在,来自华盛顿大学学习与脑科学研究所和坦普尔大学的6至8岁儿童的大脑研究不仅显示了这种实时期望,还显示了预期与执行功能技能的关系。

美国情报高级研究计划局官员于8月1日发布一项“利用神经工具增强对人类能力、专长和领域知识预测”
的项目来源寻求公告。

近年来,随着第三次抵消战略的深入推进,美军重点部署人工智能、生物科技等前沿技术领域发展,寻求获取新的领先优势。作为人工智能与生物科技的交叉学科领域,认知神经科学具有颠覆未来作战样式的巨大军事应用潜力,日益受到美军关注。

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IARPA专家正在向工业界寻求新的方法和工具方面的信息,实现在复杂环境下使用大脑的结构和功能性测量对个人未来认知能力的预测。

为加速抢占这一新兴科技制高点,美陆军早在2010年5月即着手组建认知与神经工程学协作技术联盟,汇聚美陆军研究实验室顶级科学家、世界一流的研究团队和经验丰富的行业合作伙伴,开展真实作战任务环境下人脑功能机制研究,旨在增强高负载动态信息条件下的个体和群体协同作战能力。近年来,技术联盟为增进对复杂作战环境下作战人员神经认知行为的理解,在全面监测大脑和身体的便携式传感器系统、大规模集成实验的设计与实现、处理高维数据集的算法创新等领域取得显著进展,部分研究成果于2018年4月举行的两年一次的研究管理委员会会议上进行了演示。未来两年,技术联盟还将开展先进算法、脑机交互技术、现实世界的神经影像等新领域研究,继续推动并引领认知神经科学领域未来发展。

发表在11月份的发育认知神经科学杂志上的一项研究专门检查了儿童大脑在预期触摸手部时会发生什么,并将这种大脑活动与儿童在其他心理任务中表现出的执行功能联系起来。研究人员发现,预测能力也表明了关注的能力。“预期是让我们不被世界震惊和惊讶的原因,”威斯康星大学心理学教授兼I-LABS联合主任安德鲁梅尔佐夫说。“当你拿起一支铅笔或一把叉子,当有人向你滚球时,或者当有人接近你并伸出手来摇动它时,你就会期待一种触觉的冲击。“我们不能只在事情发生时作出回应;我们需要预测会发生什么。在现实世界中,我们不只是生活在现在;我们生活在未来。”

IARPA官员表示,预测人类未来认知能力和专业领域的能力可使机构能够事先确定,在真实环境下,哪些人最有可能能够学习和掌握复杂技能,并完成任务。

面向战场认知能力提升,明确研发需求

虽然其他研究已经研究了儿童和成年人如何看待他们将要看到的东西,但是没有对儿童对触摸的期望,或者触摸在衡量儿童执行功能技能方面的作用进行过研究,Temple的博士生Staci
Weiss说。该研究的作者。其他研究也表明,6岁左右儿童的执行功能与儿童的学习成绩相关。“执行功能”是一个广义的术语,包含组织信息和控制自己行为所需的各种技能。选择性注意

此举可增加机构对培训的投资回报,帮助将人员与任务和环境进行匹配,有利于将专家安置在那些由于新环境,新竞争对手,以及工具和方法的进步带来的,快速变化的工作要求和所需技能。

随着新一代信息技术的飞速发展,智能战争日益迫近,认知能力将在未来战场发挥举足轻重的作用。认知能力不仅包含对复杂战场形势,还包含对敌我双方军事能力的深刻认知。对作战人员而言,强大的认知能力和运动感知能力是有效利用先进军事技术的能力基础,特别是传感器部署、自动化和通信带宽等方面的技术进步,对作战人员信息融合处理能力提出更高要求。面对日益复杂的信息环境,作战人员在理解和决策方面的认知短板,将阻碍先进战场技术的应用,并成为军事能力提升的关键瓶颈。

  • 以牺牲他人为代价专注于特定思想或任务的能力 –
    是一种直接与预期相关的执行功能技能,因为它涉及知道对事件的期望,无论多么小,以及如何回应它。“预期的大脑活动为未来做好准备,使得传入的信息更容易预测,因此更容易将注意力集中在重要的事情上。对儿童的神经预测没有被捕获,”韦斯说。“令人兴奋的是,孩子预测即将发生的事件的能力
  • 在这种情况下,触摸到手 –
    与他们控制注意力的程度有关。儿童在接触预期时的大脑反应变化量与之相关具有更广泛的认知技能,不仅仅是在触觉领域,而是以更广泛的方式,可能对课堂上的孩子有用。“

尽管学术成就、考试和先前的经验可帮助预测未来的能力,研究人员建议,对大脑的直接衡量可提供额外的预测能力,唯一的问题就是提供多少。

美陆军着眼未来战场对认知能力的需求,进一步明确认知神经科学发展方向,希望将认知神经科学的基础研究成果应用于理解作战人员在复杂的动态环境中的神经认知行为,持续监测和解读大脑/行为活动指标,包括:

这项新研究涉及80名儿童,每名儿童都戴着一个配有特殊传感器的帽子,通过检测儿童头皮上的微小电信号来测量大脑活动,这是一种称为脑电图的非侵入性技术。参与者观看了一个屏幕,其中出现了一个箭头,指向左侧或右侧。他们的双手坐在桌子底下,让孩子们听到手指的中指与箭头的方向相符。一个小的,可膨胀的气球状装置在箭头图像出现后大约一秒半敲击指定的手指。这种提供触摸的方式已经被协作团队的许多研究中使用,其中包括Temple心理学教授Peter
Marshall。“触摸感觉就像手指上的轻拍一样”马歇尔指出,“它不会产生任何噪音,这对于确保我们正在测量触摸的预期而非预期的声音非常重要。”

为寻求答案,IARPA正向工业界就如何对基于大脑对未来认知能力预测的技术状态作出描述寻求帮助。特别是,IARPA对大脑结构和功能的非入侵性分析,以预测谁将能最好地学习复杂技能,并完成与国家安全相关的任务感兴趣。

①作战人员注意力的深度、分布和移动;

这项研究的重点是在孩子被触摸之前的第二次 –
但是在箭头指示哪一只手将被拍打之后 –
预期的那一刻。脑电图揭示了研究人员认为可能的活动显着增加:左手即将触摸产生大脑右侧的活动,反之亦然。更具体地说,在覆盖躯体感觉皮层的电极上存在显着的活动,其中大脑处理与身体的接触。一般而言,该特定区域是在头部顶部上方的耳朵之间延伸的神经组织条带。右手触摸会在躯体感觉皮层的左侧产生神经活动,左手触摸会在右侧产生活动。“大脑活动的模式提供了证据,表明孩子通过将内部焦点指向将被拍打的手来预测触觉。与视觉和听觉刺激不同,他们不会转过头或移动他们的眼睛,他们是只是改变他们的内部焦点,“韦斯解释道。

除了对技术状态进行描述,IARPA也寻求在未来5年内可用的工具、方法和分析方面进行深入研究,这些工具、方法和分析可能帮助研究人员克服目前预测未来认知能力方面面临的挑战。

②作战人员对输入信息重要性的评价;

在预期实验之后,每个孩子参加了四个不同的活动,一部分来自美国国立卫生研究院的认知工具箱:图片词汇测试;图像匹配活动;以及另外两个专门测试执行功能的人。这两个是一个选择性的注意力任务,包括忽略视觉场景中令人分心的信息,以及用于检查工作记忆的卡片分类任务。结果显示,在接触预期期间发生的大脑活动与儿童快速准确地对两种执行功能测量反应的能力之间存在显着相关性:选择性注意和卡片分类任务。在预期的大脑活动与图像词汇或一般处理速度的两个控制任务之间没有发现关联,表明神经预期与特定的认知技能相关,特别是那些涉及执行功能的人。

IARPA UNTAPPED项目围绕4个主题开展:测量、结果、替换和限制。

③作战人员行为的动机和意图;

作者认为这是第一项使用大脑测量来调查儿童预期接触的研究,以及儿童预期大脑反应的个体差异是否可以预测儿童在其他认知任务中的成功。随着未来在年幼儿童中的工作或旨在帮助儿童学习如何集中注意力和预测接触的研究,研究人员建议数据可以导致旨在发展执行功能的干预措施。“执行功能的一个组成部分是指导和控制注意力的能力,这在现代世界中很重要,我们不断受到刺激的轰炸,必须多任务,”Meltzoff说。

测量涉及到可帮助预测未来认知能力或专业领域的大脑结构和功能,以及相关技术、测量和收集此类信息面临的技术挑战。

④疲劳、压力等生理状态对认知和感知表现的影响等。

正念训练可能是一种自然的适应性,因为它具有集中注意力的能力。“有一些干预措施使用正念训练和教导如何将注意力集中到身体上,帮助儿童和成人获得自我意识并加强自我控制,”Meltzoff说。“我们做出了一个飞跃,表明孩子们在这项研究中所做的事情与正念的某些方面之间可能存在联系。”Weiss补充说,该研究表明儿童早年如何能够利用环境信息过滤并将注意力集中在身体的特定区域。“令人兴奋的是,人们可以在大脑中测量个体对身体和触觉的关注差异,并可能影响幼儿的计划和专注能力。未来的研究可以帮助我们了解是否有可能培养幼儿故意专注于他们的感受。“

结果涉及到可从神经测量中预测获得的认知能力类型,以及人类开发此种测量可能有效的最早时间。

制定科学愿景,厘清技术发展路径

替代涉及到将基于大脑的预测与传统非神经测量进行比较和结合。同时,限制涉及开发、测试和使用神经工具和测量可能面临的理论和实际限制。

认知神经科学属于典型的前沿交叉学科,需要汇聚各方面专业领域的优势力量,在共同愿景下凝聚共识、协同推动学科领域长远健康发展。为此,美陆军技术联盟在深入研讨、广泛征求各方面建议基础上,依据对认知神经科学未来发展的科学研判,制定科学愿景,即通过整合神经科学、心理学、运动机能学、计算机科学和工程学等学科领域的基础研究成果,致力于提高对真实作战任务环境下人脑功能机制的认识,了解作战人员在复杂作战环境中的神经认知行为,提高作战能力。

为实现科学愿景,技术联盟重点探究作战环境下神经科学研究的新方法和新能力,包括:

①开发新的实验范式;

②开发新型可穿戴传感器,用于监测大脑和身体动态;

③获取和处理高维数据集,用于描述身体行为、心理行为、生理行为和环境背景;

④发现用来识别和描述高维数据集的统计学关系模型和新方法,这些高维数据集反映了大脑功能、行为和环境在执行复杂作战任务中的动态变化;

⑤从参与者的大样本中获取和分析数据,以描述个体之间和个体内部的差异,系统研究来源于认知监测的个体模型之间的关系。

强化军民科技融合,加速技术创新与转化

技术联盟真正体现了军民融合理念,它汇聚了美陆军研究实验室、DCS公司、加州大学圣地亚哥分校、中国台湾交通大学、密歇根大学、奥斯纳布吕克大学、德克萨斯大学圣安东尼奥分校、卡内基梅隆大学、哥伦比亚大学、宾夕法尼亚大学、约翰霍普金斯大学等13家成员单位的世界一流研发人才,通过学术界、私营企业和陆军研究实验室三方积极协作,共同推进技术创新从前沿基础研究快速转化为战场解决方案。其中,学术研究实验室是国家基础科学创新的储备库;行业合作伙伴负责进行研究成果的技术转化;陆军研究实验室则专注于以作战人员为中心的研究,确保项目解决陆军面临的技术挑战。联盟成员中不乏被广泛认可的世界顶级研究机构,其中5个位列前1%的全球高产出研究机构,3个位列全球神经科学和行为学科领域的十大顶尖大学。

技术联盟主要通过与其成员签署合作协议,提供基础研究项目资助;也可通过技术转化合同授予DCS公司,开展技术转化应用。技术联盟的所有项目、技术、财务和行政事务由联盟管理委员会负责,该委员会由来自每个技术联盟成员的一名人员组成。根据技术联盟合作协议要求,政府只保留不超过10%的经费权,用于奖励向政府提交与其项目目标一致的建议案。目前,技术联盟开发的技术与工具,正在向技术联盟内外的学术界、政府和行业伙伴进行转化。技术联盟已与美国防部其他机构合作,支持人类自主集成研究、神经生理学和未来技术性能研究。同时,正在与消费电子行业探讨脑电图学的应用,积极吸引消费者产品领域的潜在转化用户。此外,还与汽车行业巨头进行持续对话,讨论在汽车工业的创新应用,并拟启动合作研究项目。

前期研发成果显著,调整明晰未来重点领域

在技术联盟成立后的前4年,为增强对复杂环境下相关行为的大脑功能机制的理解,技术联盟确定了要重点攻克的技术壁垒,通过开展有针对性的研究取得了显著进展,为技术联盟的未来发展方向提供了新见解。例如,在用户可接受的便携式传感器系统上,实现了对现实环境中大脑和身体的全面监控;设计实现了大规模集成实验,可在更少限制和更自然的实验范式中探究大脑和身体的处理机制,大规模集成实验生成了前所未有的整体数据集,可针对不同个体的大脑处理机制进行更强大的建模,并描述差异;实现了计算方法的创新,可用于处理大规模高维数据集。下一步,技术联盟将更加关注神经科学研究存在的一些重要差距,并将研究内容重新调整为先进算法、脑机交互技术和现实世界的神经影像等三个新领域。

一是先进算法。重点探究大规模集成实验产生的大型多元数据集,创建和改进算法,从而使未来的脑机交互技术更加强大和安全。

二是脑机交互技术。重点解决限制广泛采用脑机交互技术的关键问题,主要通过开发可适应心理状态变化的脑机交互算法,直接解决潜在的稳健性和非平稳性问题;通过使用新的机器学习方法,提高脑机交互技术针对新用户进行快速和准确调整的能力;通过将脑机交互技术与智能辅导技术相结合,构建人类机器人通信词典的新方法。

三是现实世界的神经影像领域。重点探究现实世界的压力和疲劳波动,拓展在实验室外进行大脑检测,通过利用已开发的整体监测方法,影响真实环境和模拟环境中的行为。此外,技术联盟还将拓展干电极的无线脑电图学系统的开发与应用,研究提高干电极材料可靠性和性能的方法。

为引领未来发展,技术联盟还不断探索未知领域,力求发现更多的信息系统设计方法,开发更强大的脑机交互技术。其未来发展重点有三项:

一是脑机交互技术的稳健性研究。技术联盟从第5年开始研究目前长期应用的脑机交互技术原理和模型的稳健性,完善对大脑长时间处理过程稳定性的认识,提出未来脑机交互技术在修正用户变化上的具体需求。该项目为期3年。

二是压力和疲劳研究。压力和疲劳是认知能力下降的主要原因,技术联盟将检测日常现代生活中感受到的疲劳和压力,继续改进在现实环境中获取多元神经成像数据的方法,从而提高对压力和疲劳影响的理解,促进压力和疲劳在现实世界环境中的作用机制研究。

三是算法研究。主要用于探索大型多元数据集。大规模集成实验数据测试的方法也将应用于上述工作收集到的大型多元数据中,以便能在现实世界中对受试者内部和受试者之间的差异进行分析。

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