类脑计算ppt课件
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高中信息技术浙教版：21类脑计算教学设计
-终结性评价：通过课后拓展任务、小组项目等形式，评估学生对本章节知识的掌握程度，以及运用知识解决实际问题的能力。
-自我评价：引导学生进行自我反思，总结学习过程中的优点和不足，促进自身成长。
4.教学资源：
-整合网络资源，为学生提供丰富的学习资料和实践案例。
-利用校园实验室、图书馆等资源，为学生创造实践操作和研究的条件。
（三）情感态度与价值观
1.培养学生对脑计算技术的兴趣，激发他们探索未知、勇于创新的科学精神。
2.强调脑计算技术在服务社会、改善民生等方面的重要作用，提高学生的社会责任感和使命感。
3.通过团队合作、讨论交流等形式，培养学生的团队协作精神和沟通能力，使他们学会尊重他人、倾听意见、共同成长。
4.倡导严谨求实的学术态度，让学生认识到脑计算技术的研究和应用需要遵循科学规律，树立正确的价值观。
高中信息技术浙教版：21类脑计算教学设计
一、教学目标
（一）知识与技能
1.理解脑计算的概念及其在信息技术领域中的应用。学生能够掌握脑计算的基本原理，了解人脑神经元结构与功能，以及脑计算与人工智能的关联。
2.学习21类脑计算方法，包括神经网络、深度学习、模糊逻辑等，并了解各类方法在实际应用中的优势与局限。
-运用任务驱动法，设计具有挑战性和实践性的任务，培养学生的动手能力和创新精神。
-开展小组合作学习，培养学生的团队协作能力和沟通能力。
2.教学过程：
-导入：通过介绍脑计算在生活中的应用实例，引起学生的兴趣，为新课学习做好铺垫。
-新课内容：讲解脑计算的基本原理、方法及其应用，结合实例进行分析，帮助学生深入理解。
3.能够结合具体案例，分析脑计算技术在现实生活中的应用，并提出改进和优化方案。
4.培养学生的团队协作、沟通表达及创新能力。
-自我评价：引导学生进行自我反思，总结学习过程中的优点和不足，促进自身成长。
4.教学资源：
-整合网络资源，为学生提供丰富的学习资料和实践案例。
-利用校园实验室、图书馆等资源，为学生创造实践操作和研究的条件。
（三）情感态度与价值观
1.培养学生对脑计算技术的兴趣，激发他们探索未知、勇于创新的科学精神。
2.强调脑计算技术在服务社会、改善民生等方面的重要作用，提高学生的社会责任感和使命感。
3.通过团队合作、讨论交流等形式，培养学生的团队协作精神和沟通能力，使他们学会尊重他人、倾听意见、共同成长。
4.倡导严谨求实的学术态度，让学生认识到脑计算技术的研究和应用需要遵循科学规律，树立正确的价值观。
高中信息技术浙教版：21类脑计算教学设计
一、教学目标
（一）知识与技能
1.理解脑计算的概念及其在信息技术领域中的应用。学生能够掌握脑计算的基本原理，了解人脑神经元结构与功能，以及脑计算与人工智能的关联。
2.学习21类脑计算方法，包括神经网络、深度学习、模糊逻辑等，并了解各类方法在实际应用中的优势与局限。
-运用任务驱动法，设计具有挑战性和实践性的任务，培养学生的动手能力和创新精神。
-开展小组合作学习，培养学生的团队协作能力和沟通能力。
2.教学过程：
-导入：通过介绍脑计算在生活中的应用实例，引起学生的兴趣，为新课学习做好铺垫。
-新课内容：讲解脑计算的基本原理、方法及其应用，结合实例进行分析，帮助学生深入理解。
3.能够结合具体案例，分析脑计算技术在现实生活中的应用，并提出改进和优化方案。
4.培养学生的团队协作、沟通表达及创新能力。
从人类脑计划到计算神经科学ppt课件
19
1.人类脑计划介绍
目前人类脑计划开展的国际大合作，使用通用数据库，统 一格式、统一标准，将脑的结构和功能、微观和宏观的研究结 果联系起来，绘制出健康和疾病状态下脑的功能、结构、神经 网络、细胞和分子生物学的“图谱”。成员国的科学家们可以 在数据库中进行搜索、比较、分析和整合，并进行数学模拟和 仿真计算，这将十分有利于理论假设的形成和研究者之间的电 子合作，也可以避免不必要的重复性研究。
11
1.人类脑计划介绍
人类脑计划的核心 —— 神经信息学
神经信息学 指 神经科学和信息学相互结合的研究领域。它 是人类脑计划的核心内容。
目 标： 利用信息技术，建立神经信息学数据库。 1） 以便能对不同层次的有关脑的研究数据，进行检索、
比较、分析、整合、建模和仿真，绘制出脑功能、脑结构和神经 网络的图谱；
8
1.人类脑计划介绍
“认识脑、保护脑、创造脑”三大目标
人们相信脑科学的研究成果将为人类更好地： 了解自己、 保护自己、 防治脑疾病、 开发大脑潜能
等方面做出重要的贡献。
9
1.人类脑计划介绍
脑的研究正在产生海量的数据
1） 以往有关脑的研究包括神经（解剖、生理、病理、生化、 免疫、电生理、心理）等，已经获得了大量有关动物脑和人脑的 实验数据和研究结果。
掌管着人类每天的语言、思维、感 觉、情绪、运动等高级活动。
6
1.人类脑计划介绍
脑科学的研究热潮正遍布全球
人脑的结构和功能极其复杂，需要从分子、细胞、系统、 全脑和行为等不同层次进行研究和整合，内容极其丰富。
世界各国投入了大量的人力和财力进行专门研究： 美国：1989年，美国在全世界率先推出了全国性的脑科学计 划，并把20世纪的最后十年命名为“脑的十年”。这一举动立 刻得到了国际脑研究组织和许多国际学术组织的响应。美国提 出“脑的十年”计划重点是保护脑，防治脑疾病。
1.人类脑计划介绍
目前人类脑计划开展的国际大合作，使用通用数据库，统 一格式、统一标准，将脑的结构和功能、微观和宏观的研究结 果联系起来，绘制出健康和疾病状态下脑的功能、结构、神经 网络、细胞和分子生物学的“图谱”。成员国的科学家们可以 在数据库中进行搜索、比较、分析和整合，并进行数学模拟和 仿真计算，这将十分有利于理论假设的形成和研究者之间的电 子合作，也可以避免不必要的重复性研究。
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1.人类脑计划介绍
人类脑计划的核心 —— 神经信息学
神经信息学 指 神经科学和信息学相互结合的研究领域。它 是人类脑计划的核心内容。
目 标： 利用信息技术，建立神经信息学数据库。 1） 以便能对不同层次的有关脑的研究数据，进行检索、
比较、分析、整合、建模和仿真，绘制出脑功能、脑结构和神经 网络的图谱；
8
1.人类脑计划介绍
“认识脑、保护脑、创造脑”三大目标
人们相信脑科学的研究成果将为人类更好地： 了解自己、 保护自己、 防治脑疾病、 开发大脑潜能
等方面做出重要的贡献。
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1.人类脑计划介绍
脑的研究正在产生海量的数据
1） 以往有关脑的研究包括神经（解剖、生理、病理、生化、 免疫、电生理、心理）等，已经获得了大量有关动物脑和人脑的 实验数据和研究结果。
掌管着人类每天的语言、思维、感 觉、情绪、运动等高级活动。
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1.人类脑计划介绍
脑科学的研究热潮正遍布全球
人脑的结构和功能极其复杂，需要从分子、细胞、系统、 全脑和行为等不同层次进行研究和整合，内容极其丰富。
世界各国投入了大量的人力和财力进行专门研究： 美国：1989年，美国在全世界率先推出了全国性的脑科学计 划，并把20世纪的最后十年命名为“脑的十年”。这一举动立 刻得到了国际脑研究组织和许多国际学术组织的响应。美国提 出“脑的十年”计划重点是保护脑，防治脑疾病。
ppt课件――脑
学习
总结词
学习是人类大脑不断获取新知识、技能和能力的过程，是认知功能的重要表现。
详细描述
学习可以分为不同类型，如知识学习、技能学习和行为学习等。知识学习是指获取新的概念和信息，技能学习是 指掌握新的操作和技巧，行为学习则是指改变行为习惯和反应模式。大脑的不同区域参与不同类型的学习的过程 。
03
CATALOGUE
平衡和姿势
平衡感
小脑通过与前庭系统的交 互，维持身体的平衡感和 姿势，确保在各种运动中 保持稳定。
姿势调整
小脑能够根据身体位置和 运动状态，调整肌肉张力 ，维持正确的姿势。
动态稳定
等活 动中保持平衡。
自主神经系统控制
自主反应
应激反应
帕金森病
是一种常见的神经系统疾病，表现为 肌肉僵硬、运动迟缓、震颤等症状， 病因可能与年龄、遗传、环境因素等 有关。
其他运动障碍
包括肌张力障碍、抽动症、共济失调 等，这些疾病会影响患者的运动功能 和日常生活。
抑郁症和其他情绪障碍
抑郁症
是一种常见的情绪障碍，表现为持续 的情绪低落、兴趣丧失、疲劳等症状 ，病因可能与生物、心理、社会因素 等有关。
小脑通过与自主神经系统的交互，参 与调节心跳、呼吸、血压等自主反应 ，维持内环境的稳定。
在应对压力和应激情况下，小脑参与 调节身体的应激反应，以适应外部环 境的变化。
情绪调节
小脑与边缘系统相互作用，影响情绪 反应和情绪调节，对心理健康具有重 要意义。
04
CATALOGUE
脑的健康与保护
脑的健康与保护
小脑
协调肌肉运动，维 持身体平衡。
下丘脑
调节体温、血糖、 水平衡等生理活动 。
脑的功能
[医学]类脑计算(0001)
![[医学]类脑计算(0001)](https://img.taocdn.com/s3/m/44203fbe172ded630a1cb638.png)
基于脑连接信息的脑区划分
功能连接
解剖连接
脑网络组图谱在类脑计算中的应用
大脑区域划分
可能应用
布洛卡区与维尼克区
自然语言处理
颞叶视觉皮层 顶叶皮层
复杂图形识别 空间位置信息处理
额叶皮层
在线决策系统
海马及内嗅皮层
时域信息整合与导航
理解脑计算
明确不同尺度脑信息 处理的基本单元
明确脑信息处理 的重要原理和过程
l Learning level: How the system gradually learns to do what it does
l computational level: what does the system do why does it do these things
l algorithmic/representational level: how does the system do what it does
l implementational/physical level: how is the system physically realised
理解脑计算
明确不同尺度脑信息 处理的基本单元
明确脑信息处理 的重要原理和过程
揭示脑功能进化的过 程和原理
理解脑计算
明确不同尺度脑信息 处理的基本单元
明确脑信息处理 的重要原理和过程
明确宏观尺度的基本功能单元：脑网络组图谱
（蒋田仔研究员团队）
传 统 解 剖 学 方 法
标本组织切片现 代 脑 成来自像 方 法活体多模态脑成像
Brodmann's atlas 1909 (52 areas)
JU-Brain(近20年的工作，完成70%，120 areas)
脑神经ppt课件
在人类生活中，感觉神经对于维持正常感 知和认知功能至关重要。
运动神经
运动神经概述
负责将大脑的指令传递给身体 的肌肉，控制身体的运动。
功能特点
确保大脑能够精确地控制身体 的运动，实现各种复杂的动作 和行为。
分类
分为躯体运动神经和内脏运动 神经两类，前者直接控制骨骼 肌的活动，后者调节内脏器官 的活动。
阿尔茨海默病
01
02
03
定义
阿尔茨海默病是一种起病 隐袭、病因未明的原发性 、退行性大脑疾病。
症状
主要表现为记忆力减退、 认知障碍、失语、失认、 失用、执行功能障碍以及 人格和行为改变等。
治疗
目前尚无特效药物治疗阿 尔茨海默病，药物治疗主 要为胆碱酯酶抑制剂和 NMDA受体拮抗剂。
癫痫
定义
癫痫是一种由脑部神经元 异常放电引起的慢性疾病 ，可导致短暂的大脑功能 障碍。
脑卒中可导致偏瘫、偏身感觉障碍 、言语不清、吞咽困难、共济失调 等症状。
治疗
脑卒中的治疗主要包括药物治疗和 康复治疗，药物治疗主要是溶栓治 疗和抗血小板聚集治疗。
06
CATALOGUE
脑神经研究的前沿与展望
脑神经疾病的基因治疗
基因治疗概述
基因治疗是一种通过修改或替换人体内的基因来治疗疾病 的方法。在脑神经疾病领域，基因治疗旨在纠正或补偿因 基因突变或缺失导致的疾病症状。
策略三：康复治疗 康复手段：物理疗法、作业疗法、言语疗法等。
康复目标：改善功能障碍、提高生活质量、促进回归社会等。
脑神经损伤的康复治疗
康复治疗一：物理疗 法
作用机制：促进血液 循环、改善肌肉功能 、缓解疼痛等。
物理疗法种类：电刺 激疗法、超声疗法、 磁疗等。
类脑计算神经形态计算
? 极点数相同；
? 模拟频率Ω和数字频率ω之间呈线性关系 ω=ΩT；数字滤波
器的单位脉冲响应完全模仿模拟滤波器的单位冲激响应，时域 逼近良好；
?如果模拟滤波器的频率响应不是严格限带，该方法得到数字 滤波器 在频域出现混叠现象 ；不宜用于设计高通和带阻数字滤 波器（高频部分会发生混叠），一般仅适合低通和带通数字滤 波器的设计。
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k ?1 s ? spk
数字信号处理简明教程
11
Institute of Artificial Intelligence and Robotics, XJTU
1986
冲激响应不变法
的后续项之间的“串扰”
数字信号处理简明教程
16
Institute of Artificial Intelligence and Robotics, XJTU
1986
? 讨论例8.1
由图可看出，由于 H(jΩ) 不严格限带，所以 H(ejω) 产生了频谱混叠失真。
模拟滤波器的频率响应 H(jΩ) 以
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数字信号处理简明教程
18
Institute of Artificial Intelligence and Robotics, XJTU
1986
4、冲激响应不变法特点：
类脑智能 第六组
补充——类脑计算的研究
•
一般地说，类脑计算是指借鉴大脑中进行信息处理的基本规律，在硬 件实现与软件算法等多个层面，对于现有的计算体系与系统做出本质变 革的计算方法。
• 类脑计算的研究大致可以分为神经科学的研究（特别是大脑信息处理基 本原理的研究），类脑计算器件（硬件）的研究和类脑学习与处理算法 （软件）的研究3个方面。
可行性分析
• 对类脑智能而言，其发展前景肯定是现在人脑优于人工智能的领域，比 如感知信息处理、语言理解、人机协同。通过自主学习方式，使机器在 少量样本和人工干预的条件下自主进化到类人智能水平。（举例）
总结
小组成员（排名不分先后）
高楚枫，史柠玮，赵一凡，于佳男，李恺华
国内外现状
• 国内：中国科学院自动化研究所在凝炼全所科研力量的基础上提出了类 脑智能研究战略并于2015年4月成立类脑智能研究中心 清华大学成立类 脑计算研究中心、北京大学成立脑科学与类脑研究中心， 上海交通大学 成立仿脑计算与机器智能研究中心， 厦门大学成立福建省仿脑智能系统 重点实验室。 • 国外：欧盟脑计划、Google公司和Dean公司共同领导的Google Brain 项目。
发展意义（拟解决关键问题）
• 解决系统能耗过高问题。
• 解决目前计算机对于人脑能轻松胜任的认知任务（比如情感、语言及复 杂场景的理解等）无法处理或处理能力低下的问题。
• 总体而言就是使人工智能水平更加接近人脑。
国内外现状
• 国内：中国科学院自动化研究所在凝炼全所科研力量的基础上提出了类 脑智能研究战略并于2015年4月成立类脑智能研究中心 清华大学成立类 脑计算研究中心、北京大学成立脑科学与类脑研究中心， 上海交通大学 成立仿脑计算与机器智能研究中心， 厦门大学成立福建省仿脑智能系统 重点实验室。 • 国外：欧盟脑计划、Google公司和Dean公司共同领导的Google Brain 项目。
《颅脑应用解剖学》课件
颅脑解剖学未来发展方向
1 2 3
深入研究大脑结构和功能的关系
随着神经科学的发展，未来颅脑解剖学将更加深 入地研究大脑各区域的结构和功能关系，揭示大 脑的工作机制。
跨学科整合与合作
颅脑解剖学将与生物学、遗传学、心理学等多个 学科进行更紧密的整合与合作，共同推动对大脑 的深入理解。
技术的创新与应用
随着影像技术、基因编辑等技术的不断发展，颅 脑解剖学将进一步拓展研究手段 学的兴起，颅脑解剖学得到了初
步发展。
近现代以来，随着医学影像技术 、神经生物学和分子生物学等学 科的快速发展，颅脑解剖学得到
了更深入的研究和应用。
02
颅脑解剖学基础知识
颅骨解剖
颅骨是头部的骨性结构，主要 分为脑颅骨和面颅骨两部分。
脑颅骨包括额骨、顶骨、枕骨 、蝶骨和颞骨等，主要起到保 护大脑的作用。
神经生理学应用
神经生理学是研究脑功能的科学，与 颅脑应用解剖学密切相关。通过对脑 结构和功能的深入研究，可以更好地 理解神经系统的生理机制和功能调节 。
颅脑应用解剖学的研究成果为神经生 理学实验提供了重要的实验材料和理 论基础。同时，神经生理学的实验结 果也为颅脑应用解剖学提供了新的研 究思路和方法。
03
颅脑解剖学应用
神经外科手术应用
神经外科手术应用是颅脑应用解剖学的重要领域之一。通 过对颅脑解剖学的研究，神经外科医生能够更好地理解脑 的结构和功能，为手术提供重要的指导。
在手术过程中，医生需要精确地了解脑组织的结构、位置 和毗邻关系，以避免损伤重要的神经结构和血管。颅脑应 用解剖学的研究成果为手术入路、手术操作和术后恢复提 供了重要的参考依据。
脑机接口与神经调控
颅脑解剖学的研究成果将为脑机接口和神经调控技术的发 展提供重要的理论基础，有助于实现人脑与机器的交互和 调控。
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Synapses 1 billion Power 10 kW Synapses 4 billion Power 1 W Synapses 460 billion Power 50 kW
Human Brain Neurons 100 billion Synapses >100 Tera Power 20 W
类脑计算
1
CONTENTS
类脑计算的理念与实践 从脑机接口到脑机融合
神经形态认知计算 计算神经科学 深度学习处理器
2
类脑理念与实践
General AI 认知 Narrow AI 感知
传统思想： 认知科学了解大脑意识的形成 模仿人脑设计算法( Empirical )
当前思想： 神经生物学了解大脑结构 结构仿真形成一定规模的神经元网络 再思考可以做什么( Heuristic )
TraveliLeabharlann g Wave in CANNA moving bump in the network without relying on external drive.
18
计算神经科学
The strategy of the brain
Every animal adopts to its own optimal time scale suitable for its own survival in the natural environment.
3
类脑理念与实践
感知:
Perceptron LeNet AlexNet VGG GoogLeNet ResNet
认知：
BrainScaleS TrueNorth SpiNNaker
Deeper than Deeper
Bigger than Bigger
Neurons 4 million Neurons 16 million Neurons 460 million
12
神经形态认知计算
STDP
The process adjusts the connection strengths based on the relative timing of a particular neuron's output and input action potentials (or spikes).
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神经形态认知计算
Implementing Instances
11
神经形态认知计算
Implementing Instances
Convolution Max Pooling STDP (Unsupervised Learning in Feature Extraction) Supervised Learning rules to fine tuning Spiking Network
1个忆阻器可以模拟一个突触的行为。 当前集成水平可以达到10GB/cm^2存储密度（近似人脑神经元密度），主频
200MHz（比人脑脑电频率快10^6倍），未来可达到500G/cm2@1000MHz。
7
神经形态认知计算
Spiking Neurons and Spiking Neural Network
Neural Encoding of Motion Direction
Single Neuron
Neural Population
CANN
Continuous Attractor Neural Network
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计算神经科学
Dynamical and Adaptive Information Processing
From Rate to Correlation Code
SFA
Spike frequency Adaptation Neuronal response attenuates after experiencing long time firing. Slow negative feedback modulation to neuronal response.
时空关系上的连续性 超高速视屏 20,000 Frame/s
Line Motion Illusion
视网膜与V1层功能区的协作产生线运动错觉 V1区含有方向选择细胞 V1区脑皮层之间的互联形成对位置方向的感知 V1区脑皮层在无刺激输入时也会产生自发性放电现象
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计算神经科学
SNN
How Spikes convey information ? Rate : spike count within a time window Temporal : precise time => time array
9
神经形态认知计算
FeatureMap
Spatiotemporal Patterns Classification Solved. How to Code ? Unsolved.
Functions and Consumption
8
神经形态认知计算
ANN
Assumed that neurons represent information through their mean rates of action potential firing. NonLinear(Sum(…))
4
类脑理念与实践
上界：认知科学 功能模拟 类脑计算
下界：神经科学 解析仿真 上确界：神经科学 结构模仿
类脑实践 下确界：传统计算机体系结构
5
神经形态认知计算
神经元状态方程： Hodgkin-Huxley方程
6
神经形态认知计算
CMOS模拟：
忆阻器：
忆阻器是天然的突触模拟器件，生物突触释放Ca、Na离子改变传导性，忆阻 器通过释放氧离子改变传导性。
13
神经形态认知计算
Implementing Instances
14
类脑理念与实践
Neuron Software
分子层面精细建模 最大程度模拟神经元与突触行为 对视网膜中央区域 2mm 范围内所有神经元进行建模 天河2号超算辅助运算
15
类脑理念与实践
Spiking Array