Джо З. Тен
Джо З. Цзянь (钱卓) [1] — нейробиолог, который впервые применил Cre/lox-нейрогенетику в середине 1990-х годов. [2] универсальный набор инструментов для нейробиологов для изучения сложных взаимосвязей между генами, нейронными цепями и поведением. [3] Он также известен как создатель умной мыши Doogie в конце 1990-х годов, когда он был преподавателем Принстонского университета. [4] [5]
Недавно он разработал Теорию Связности , пытаясь объяснить происхождение интеллекта или основной принцип проектирования, лежащий в основе вычислений и интеллекта мозга. [6] [7] Теория утверждает, что вычисления в мозгу организованы с помощью логики перестановок, основанной на степени двойки, при построении клеточных агрегатов — основных строительных блоков нейронных цепей. [8] Теория получила ряд подтверждений в результате многочисленных экспериментов. Открытие этой базовой вычислительной логики мозга может иметь важные последствия для развития общего искусственного интеллекта.
Кроме того, Цзянь также постулировал теорию нейронной самоинформации, описывающую, как мозг кодирует мгновенное восприятие, воспоминания, пространственную навигацию, принятие решений и сознательное выполнение действий. [9] [10] Теория нейронной самоинформации и теория связности могут обеспечить две фундаментальные основы не только для понимания того, как работает мозг, но и для развития нейроморфных вычислений, вдохновленных мозгом.
Образование
[ редактировать ]Цзянь получил степень бакалавра биологии/физиологии в Восточно-Китайском педагогическом университете в Шанхае (1984). Цзянь получил докторскую степень. Степень доктора молекулярной биологии Университета Миннесоты в 1990 году.
Карьера
[ редактировать ]В начале и середине 1990-х годов Цянь работал с двумя нобелевскими лауреатами, Эриком Канделем и Сусуму Тонегавой . В 1997 году Цзянь стал преподавателем кафедры молекулярной биологии Принстонского университета, где с помощью генной инженерии сконструировал и создал умную мышь Дуги. В 2007 году Цянь запустил проект «Декодирование мозга» , в рамках которого он возглавил команду нейробиологов, ученых-компьютерщиков и математиков для систематической записи и расшифровки нейронных кодов в мозгу мыши, при финансовой поддержке, частично поддерживаемой Исследовательским альянсом Джорджии. Проект расшифровки мозга Цяня предоставил ценный тестовый пример и вдохновил других нейробиологов в Европе и США для инициирования крупномасштабных проектов, таких как BRAIN Initiative и Human BRAIN Projects в 2013 году.
В настоящее время Цянь работает в Китае и продолжает занимать должность директора Международного консорциума проектов по декодированию мозга.
Исследовать
[ редактировать ]В 1996 году Цянь впервые применил Cre-loxP -опосредованные генетические методы, специфичные для субрегионов мозга и типов клеток. [3] позволяя исследователям манипулировать или вводить любой ген в определенную область мозга или определенный тип нейрона . [2] Этот преобразующий метод позволил NIH Blueprint for Neuroscience Research запустить несколько проектов Cre-driver Mouse Resource. За последние 20 лет нейрогенетика, опосредованная рекомбинацией Cre-lox, стала одной из самых мощных и универсальных технологических платформ для нокаута клеточно-специфичных генов, трансгенной сверхэкспрессии, отслеживания нейронных цепей , Brainbow , оптогенетики , CLARITY, визуализации напряжения и химической генетики. . [2] [11] [12]
Цянь также широко известен как создатель умной мыши Doogie . [13] Будучи преподавателем в Принстонском университете, Цянь предположил, что одна из субъединиц рецептора NMDA может быть ключом к превосходному обучению и памяти в молодом возрасте. Соответственно, его лаборатория генетически спроектировала трансгенную мышь, у которой была сверхэкспрессирована субъединица NR2B рецептора NMDA в коре головного мозга и гиппокампе мыши . В 1999 году его команда сообщила, что трансгенная мышь по прозвищу Дуги действительно обладает повышенной синаптической пластичностью , улучшенным обучением и запоминанием, а также большей гибкостью в изучении новых паттернов. [4] Открытие NR2B как ключевого генетического фактора улучшения памяти побудило других исследователей открыть более двух десятков других генов улучшения памяти, многие из которых регулируют путь NR2B. [14] Одна из стратегий улучшения памяти на основе NR2B с помощью пищевых добавок проникающих в мозг ионов магния , L-треоната магния , в настоящее время проходит клинические испытания для улучшения памяти . [15] [16]
Цянь также сделал несколько других важных открытий, в том числе единый механизм сборки клеток, объясняющий, как эпизодическая память и семантическая память генерируются в цепях памяти. [17] [18] [19] Его лаборатория также обнаружила клетки-гнезда в мозгу мыши, показав, как животные на самом деле кодируют абстрактную концепцию гнезда или дома. [20] [21]
Цзянь также первым показал, что дефектные гены болезни Альцгеймера (например, пресенилин-1) нарушают нейрогенез у взрослых в зубчатой извилине гиппокампа. [22] выявление роли взрослого нейрогенеза в очистке памяти. [23] [24]
Кроме того, Цянь разработал метод, позволяющий выборочно стирать определенное воспоминание о страхе в мозгу мыши, оставляя при этом другие воспоминания нетронутыми. [25] [26]
Цянь также продемонстрировал, что рецептор NMDA в дофаминовой цепи играет решающую роль в формировании привычки. [27] [28] [29]
В настоящее время Цянь возглавляет команду нейробиологов, компьютерщиков и математиков, которые работают над проектом декодирования мозга. [30] крупномасштабное исследование активности мозга, которое он и его коллеги начали с 2007 года при поддержке Исследовательского альянса Джорджии (GRA). [31]
В 2015 году Цянь разработал теорию связи , чтобы объяснить принцип проектирования, на основе которого эволюция и развитие могут создать мозг, способный генерировать интеллект. [6] [7] Эта теория сделала шесть предсказаний, которые получили подтверждение в ходе недавней серии экспериментов как на мозге мыши, так и на мозге хомяка. [8] По своей сути Теория Связности предсказывает, что клеточные сборки в мозге не случайны, а скорее должны соответствовать уравнению, основанному на степени двойки, N = 2. я - 1, для формирования предварительно сконфигурированного строительного блока, называемого мотивом функциональной связности (FCM). Вместо использования одного нейрона в качестве вычислительной единицы в некоторых чрезвычайно простых мозгах теория предполагает, что в большинстве мозгов группа нейронов, проявляющих схожие свойства настройки, называемая нейронной кликой , должна служить базовой вычислительной единицей обработки (ЦП). . Определяется уравнением на основе степени двойки, N = 2 я - 1, каждый FCM состоит из нейронных клик с главной проекцией (N), начиная от конкретных клик, получающих определенные информационные входы (i), до общих и подобщих клик, получающих различные комбинаторные конвергентные входные данные.
Как эволюционно консервативная логика, подтверждение теории связности требует экспериментальной демонстрации следующих основных свойств: 1) Анатомическая распространенность - FCM преобладают во всех нейронных цепях, независимо от грубых анатомических форм; 2) Сохранение видов – FCM сохраняются у разных видов животных; и 3) Когнитивная универсальность - FCM служат универсальной вычислительной логикой на уровне сборки клеток для обработки разнообразного когнитивного опыта и гибкого поведения. 4) Что еще более важно, эта теория связности далее предсказывает, что комбинаторная схема связности между конкретным и общим внутри FCM должна быть предварительно настроена в ходе эволюции и возникать врожденно в процессе развития как вычислительные примитивы мозга. 5) Эта Теория Связности также объясняет общее назначение и вычислительный алгоритм неокортекса. Этот предложенный принцип построения интеллекта может быть изучен с помощью различных экспериментов, а также смоделирован нейроморфными инженерами и учеными-компьютерщиками. Та же логика перестановок, основанная на степени двойки, недавно была описана для процессов лексического поиска у людей, что демонстрирует параллели с вычислительной базой квантового компьютера. [32] [33] Однако доктор Джо Цзянь предупреждает, что общий искусственный интеллект, основанный на принципах работы мозга, может принести огромную пользу и, возможно, даже больший риск. [34]
Более того, лаборатория Цянь сосредоточилась на взломе нейронного кода в реальном времени — правила, согласно которому информация передается для генерации моментальных когнитивных функций, включая наблюдение за автомобилем, воспроизведение воспоминаний или сознательное осознание времени и местоположения. Традиционно код скорости, при котором растры импульсов срабатывания усреднялись по нескольким испытаниям для преодоления изменчивости срабатывания, предлагался ученым как способ анализа свойств настройки данного нейрона. Однако очевидно, что код скорости — это не то, как мозг на самом деле использует когнитивные процессы в реальном времени из-за огромной изменчивости импульсов от одного момента к другому. Чтобы решить эту фундаментальную проблему, Цзянь предложил теорию нейронной самоинформации , которая утверждает, что межспайковый интервал (ISI), или продолжительность молчания между двумя соседними спайками, несет самоинформацию, которая обратно пропорциональна ее изменчивости-вероятности. В частности, ISI с более высокой вероятностью передают минимальную информацию, поскольку они отражают основное состояние, тогда как ISI с более низкой вероятностью несут больше информации в форме «положительных» или «негативных сюрпризов», обозначающих возбуждающие или тормозящие сдвиги от основного состояния соответственно. . Эти неожиданности служат квантами информации для построения троичных кодов клеточной сборки, координируемых во времени, представляющих когнитивные процессы в реальном времени. [35]
Соответственно, Цянь разработал общий метод декодирования и беспристрастно обнаружил 15 клеточных сборок, лежащих в основе различных циклов сна, опыта памяти о страхе, пространственной навигации и поведения визуальной дискриминации с 5 вариантами последовательной реакции (5CSRT). Его команда обнаружила, что надежные коды сборки клеток были созданы в результате неожиданностей ISI, состоящих из ~ 20% искаженных хвостов гамма-распределения ISI, что соответствует «принципу Парето», который определяет, что для многих событий, включая общение, примерно 80% искаженных хвостов гамма-распределения ISI. результат или последствия происходят из 20% вклада или причин. Эти результаты демонстрируют, что нейронные коды реального времени возникают в результате временной сборки членов нейронной клики посредством принципа самоинформации, основанного на изменчивости ISI. [36]
Признание
[ редактировать ]Цзянь получил награды за свой исследовательский вклад, в том числе:
- Премия выдающемуся ученому 2012 г. от Международного общества поведенческой и нейронной генетики.
- Премия Кека выдающемуся молодому ученому
- Премия Берроуза Веллкома для молодых сыщиков
- Премия за научные достижения от Ассоциации американцев китайского происхождения.
- Премия Бекмана молодому исследователю
Работа Цзяня по созданию умной мыши также была выбрана для обложки журнала TIME в 1999 году, а также для статьи в разделе «Ученый за работой» New York Times.
Популярная наука
[ редактировать ]Благодаря своему прорыву в открытиях механизмов мозга, Цянь был приглашен написать две статьи для журнала Scientific American в области нейробиологии , улучшения памяти и декодирования памяти. [5] [37] Он написал главы, посвященные обучению и памяти, для нескольких популярных учебников.
Историография
[ редактировать ]Согласно книге династии Сун «Тунчжи», фамилия Цянь (Цянь;钱) происходит от одного из легендарных пяти императоров ( Чжуаньсюй , мифологический император древнего Китая, династия Шан , китайский:商朝). Император Чжуаньсюй (кит.: трад. 顓頊, симп. 颛顼, пиньинь Чжуаньсю), также известный как Гаоян (t高陽, s高阳, п Гаоян), который был внуком первого китайского императора, известного как Желтый император, правил долиной Хуанхэ. , возникновение Китая, во втором тысячелетии до н.э. с 2514 г. до н.э. – 2436 г. до н.э. (ранний бронзовый век). В период Пяти династий и Десяти королевств (907–960) король Цянь Лю и его потомки правили независимым королевством Уюэ на юго-востоке Китая, охватывающим Шанхай, провинцию Цзянсу, провинцию Чжэцзян, провинцию Фуцзянь и регионы. Джо Цзянь родился в октябре 1962 года в городе Уси и принадлежит к 36-му поколению потомков короля Цянь Лю.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Статья Sina о Джо З. Цяне, отце «Умной Мыши» и китайско-американском биологе Цянь Чжо» . Март 2018 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Джо З. Цянь; и др. (1996). «Нокаут генов, ограниченных по субрегионам и типам клеток, в мозгу мыши» . Клетка . 87 (7): 1317–1326. дои : 10.1016/S0092-8674(00)81826-7 . ПМИД 8980237 . S2CID 863399 .
- ^ Перейти обратно: а б Цянь Дж.З. (2016). Нейрогенетика Cre-lox: 20 лет разносторонних применений в исследованиях мозга и подсчете... На переднем плане. Жене. | doi : 10.3389/fgene.2016.00019 http://journal.frontiersin.org/article/10.3389/fgene.2016.00019/abstract
- ^ Перейти обратно: а б Тан, Ю.П.; Симидзу, Э; Дубе, Греция; Рэмпон, К; Кершнер, Джорджия; Чжо, М; Лю, Г; Цянь, JZ (сентябрь 1999 г.). «Генетическое улучшение обучения и памяти у мышей». Природа . 401 (6748): 63–9. Бибкод : 1999Natur.401...63T . дои : 10.1038/43432 . ПМИД 10485705 . S2CID 481884 .
- ^ Перейти обратно: а б Цянь, Создание мыши-мозга. Scientific American, апрель, стр. 62–68, 2000 г. http://www.bio.utexas.edu/courses/kalthoff/bio346/PDF/Readings/11Tsien%282000%29brainier.pdf
- ^ Перейти обратно: а б Цянь, JZ (2016). «Принципы интеллекта: об эволюционной логике мозга» . Передний. Сист. Нейроски . 9 : 186. дои : 10.3389/fnsys.2015.00186 . ПМЦ 4739135 . ПМИД 26869892 .
- ^ Перейти обратно: а б Цянь, JZ (ноябрь 2015 г.). «Постулат об основной логике связей мозга» . Тенденции нейробиологии . 38 (11): 669–71. дои : 10.1016/j.tins.2015.09.002 . ПМК 4920130 . ПМИД 26482260 .
- ^ Перейти обратно: а б Кун Се; и др. (2016). «Мозговые вычисления организованы с помощью логики перестановок, основанной на степени двойки» . Границы системной нейронауки . 10 : 95. дои : 10.3389/fnsys.2016.00095 . ПМК 5108790 . ПМИД 27895562 .
- ^ Ли, М; Цянь, JZ (2017). «Нейронный код - теория нейронной самоинформации о том, как код сборки клеток возрастает в зависимости от времени спайка и изменчивости нейронов» . Переднеклеточные нейроны . 11 : статья 236. doi : 10.3389/fncel.2017.00236 . ПМЦ 5582596 . ПМИД 28912685 .
- ^ Ли, М; Се, К; Куанг, Х; Лю, Дж; Ван, Д; Фокс, GE; Ши, З; Чен, Л; Чжао, Ф; Мао, Ю; Цянь, JZ (2018). «Нейронное кодирование клеточных сборок посредством самоинформации о времени всплеска» . Кора головного мозга . 28 (7): 2563–2576. дои : 10.1093/cercor/bhy081 . ПМЦ 5998964 . ПМИД 29688285 .
- ^ Танигучи Х, Хе М, Ву П, Ким С, Пайк Р, Сугино К, Квициани Д, Фу Ю, Лу Дж, Линь Ю, Миёси Г, Сима Ю, Фишелл Дж, Нельсон С.Б., Хуан ЗДжей (22 сентября 2011 г.) . «Ресурс линий Cre-драйверов для генетического нацеливания на ГАМКергические нейроны в коре головного мозга» . Нейрон . 71 (6): 995–1013. дои : 10.1016/j.neuron.2011.07.026 . ПМЦ 3779648 . ПМИД 21943598 .
- ^ Строки Cre, характеризуемые ресурсом JAX Cre ( http://cre.jax.org/data.html )
- ^ Уэйд, Николас (7 сентября 1999 г.). «УЧЕНЫЙ ЗА РАБОТОЙ: Джо З. Цянь. Об умных мышах и еще более умном человеке» . Нью-Йорк Таймс . ISSN 0362-4331 .
- ^ Лерер, Иона (14 октября 2009 г.). «Нейронаука: маленькая, пушистая… и умная» . Новости природы . 461 (7266): 862–864. дои : 10.1038/461862а . ПМИД 19829344 .
- ^ Сираноски, Дэвид (2012). «Тестирование влияния магния на работу мозга» . Природа . дои : 10.1038/nature.2012.11665 . S2CID 87848888 .
- ^ Лю, Г; Вайнгер, Дж.Г.; Лу, ЗЛ; Сюэ, Ф; Садегпур, С. (2015). «Эффективность и безопасность MMFS-01, усилителя плотности синапсов, для лечения когнитивных нарушений у пожилых людей: рандомизированное двойное слепое плацебо-контролируемое исследование» . Дж. Альцгеймерс Дис . 49 (27 октября 2015 г.): 971–990. дои : 10.3233/JAD-150538 . ПМЦ 4927823 . ПМИД 26519439 .
- ^ Лин, Л; Осан, Р; Шохам, С; Джин, В; Цзо, Вт; Цянь, JZ (апрель 2005 г.). «Идентификация единиц кодирования сетевого уровня для представления эпизодических переживаний в гиппокампе в реальном времени» . Proc Natl Acad Sci США . 102 (17): 6125–30. Бибкод : 2005PNAS..102.6125L . дои : 10.1073/pnas.0408233102 . ПМЦ 1087910 . ПМИД 15833817 .
- ^ Лин, Л; Осан, Р; Цянь, JZ (январь 2006 г.). «Принципы организации кодирования памяти в реальном времени: сборки нейронных клик и универсальные нейронные коды». Тенденции нейробиологии . 29 (1): 48–57. дои : 10.1016/j.tins.2005.11.004 . ПМИД 16325278 . S2CID 53177323 .
- ^ The Boston Globe: Мышь, которая вспомнила поездку в «Ужас Диснея», пробуждает понимание. http://archive.boston.com/yourlife/health/mental/articles/2005/04/12/the_mouse_that_remembered/?page=full
- ^ Лин, Л; Чен, Г; Куанг, Х; Ван, Д; Цянь, JZ (апрель 2007 г.). «Нейронное кодирование концепции гнезда в мозгу мыши» . Proc Natl Acad Sci США . 104 (14): 6066–71. Бибкод : 2007PNAS..104.6066L . дои : 10.1073/pnas.0701106104 . ПМЦ 1851617 . ПМИД 17389405 .
- ^ «Как и Златовласка, мыши знают, что кровать «самая подходящая» » .
- ^ Фэн; и др. (2001). «Дефицитный нейрогенез у мышей с нокаутом пресенилина-1, специфичных для переднего мозга, связан со снижением очистки следов памяти в гиппокампе» . Нейрон . 32 (5): 911–26. дои : 10.1016/s0896-6273(01)00523-2 . ПМИД 11738035 . S2CID 17731574 .
- ^ Новости журнала Nature. http://www.nature.com/news/2001/011207/full/news0111213-2.html
- ^ «Нейрогенез — механизм хранения и очистки памяти? | ALZFORUM» .
- ^ Цао; и др. (октябрь 2008 г.). «Индуцируемое и избирательное стирание воспоминаний в мозгу мыши посредством химико-генетических манипуляций» . Нейрон . 60 (2): 353–66. дои : 10.1016/j.neuron.2008.08.027 . ПМЦ 2955977 . ПМИД 18957226 .
- ^ Препарат «Вечное сияние» выборочно стирает воспоминания по версии New Scientist. https://www.newscientist.com/article/dn15025-eternal-sunshine-drug-selectivity-erases-memories
- ^ Ван; и др. (2011). «NMDA-рецепторы в дофаминергических нейронах имеют решающее значение для обучения привычкам» . Нейрон . 72 (6): 1055–1066. дои : 10.1016/j.neuron.2011.10.019 . ПМЦ 3246213 . ПМИД 22196339 .
- ^ Wall Street Journal: Как нас держат привычки. http://archive.boston.com/yourlife/health/mental/articles/2005/04/12/the_mouse_that_remembered/?page=full
- ^ Видеорезюме из журнала NEURON. https://www.youtube.com/watch?v=IVX69AXdYaw
- ^ «Проект расшифровки мозга» .
- ^ Цянь, Джо З.; Ли, Мэн; Осан, Ремус; Чен, Гуйфэнь; Линь, Луньян; Ван, Филипп Лей; Фрей, Сабина; Фрей, Джульетта; Чжу, Дацзян; Лю, Тяньмин; Чжао, Фан; Куанг, Хуэй (2013). «О первоначальном картировании мозговой активности кода эпизодической и семантической памяти в гиппокампе» . Нейробиология обучения и памяти . 105 : 200–210. дои : 10.1016/j.nlm.2013.06.019 . ПМЦ 3769419 . ПМИД 23838072 .
- ^ Элен Ф, Фромм О, Фонберг И, Клостерманн Ф (2016). «Преодоление двойственности: объединенная функция Бусфилда для моделирования словообразования в задачах по беглости речи» . Психономический бюллетень и обзор . 23 (5): 1354–1373. дои : 10.3758/s13423-015-0987-0 . ПМИД 26715583 .
- ^ Фромм О, Клостерман Ф, Элен Ф (2020). «Векторная пространственная модель для функций нейронной сети: вдохновение из сходства между теорией связности и логарифмическим ходом времени производства слов» . Границы системной нейронауки . 14:58 . дои : 10.3389/fnsys.2020.00058 . ПМЦ 7485382 . ПМИД 32982704 .
- ^ Цянь, Джо З. (2016). «Принципы интеллекта: об эволюционной логике мозга» . Границы системной нейронауки . 9 : 186. дои : 10.3389/fnsys.2015.00186 . ISSN 1662-5137 . ПМЦ 4739135 . ПМИД 26869892 .
- ^ Ли, М; Цянь, JZ (2017). «Нейронный код - теория нейронной самоинформации о том, как код сборки клеток возрастает в зависимости от времени спайка и изменчивости нейронов» . Переднеклеточные нейроны . 11 : статья 236. doi : 10.3389/fncel.2017.00236 . ПМЦ 5582596 . ПМИД 28912685 .
- ^ Ли, М; Се, К; Куанг, Х; Лю, Дж; Ван, Д; Фокс, GE; Ши, З; Чен, Л; Чжао, Ф; Мао, Ю; Цянь, JZ (2018). «Нейронное кодирование клеточных сборок посредством самоинформации о времени всплеска» . Кора головного мозга . 28 (7): 2563–2576. дои : 10.1093/cercor/bhy081 . ПМЦ 5998964 . ПМИД 29688285 .
- ^ Цянь, Код памяти , Scientific American, июль 2007 г.; http://redwood.psych.cornell.edu/courses/psych512fall07/papers/Tsien_memorycode_07.pdf