来自 云顶娱乐科技 2019-10-03 13:50 的文章
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从幻想到现实,科学快讯

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脑机接口能够传输和收受来自大脑神经回路的数字信号。现存的脑机接口依然相比较滞后,在笔录大脑运动方面亦不是特意确切。在新型研商中,物思想家将脑机接口的电极植入了三个操纵移动意图的脑区,这种艺术使得脑机接口的应用性更加强,恐怕能让脊髓受到伤害的人工不孕症部分复苏行走本领。

用病毒科雷傲NA预测神秘疫情源头

在以往,高速发展的脑机接口本领能够解析大家大脑中的全体须要。

机械学习提供了一种用基因组系列来赶快开采地下病毒感染的宿主和介绍人的法子,它能缩碎发掘病毒、钻探和发大财时反应之间的日子推移。

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已知有200二种RNA病毒能感染人类,它们会孳生从平日胸闷到埃博拉病毒感染等各式各样的病症;每年都会发觉若干种新的病毒。由未知病毒引起的可传染性病魔疫情有十分大恐怕会异常的快传播并化作严重的公物卫生风险。明白病毒的后天宿主和传媒——即那几个病毒最早的动物源头及病毒传播给人的路径(如通过被感染跳蚤的叮咬)——可辅助分明感染危害最大的群众体育,并为公卫当局作出有效反馈提供音信。

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只是,要认同有些病原体的动物源头会须要多年的活生生和实验室商量,那会相当的大地界定对病痛急忙控防的办法,非常是在热切的状态下。固然未知病毒的生物学也许在连年的光阴内如故晦暗不明,但获得病毒基因组却可火速到位。

每一回回放这段影像时,作者都会以为十分感动。在一段展现脑机接口成效的摄像中,三个周身瘫痪的受试者坐在轮椅里,仅凭意念便能调节机械手和光标。摄像里的突发性爆发于二〇一一年,埃里克·Saul托(ErikSorto)在自家的实验室里用心绪操控机械臂拿起酒杯喝了一口朗姆酒。他在20岁时屡遭枪击后瘫痪,那是她瘫痪10年后先是次能够用本人的定性实现这一动作。脑机接口能够将大脑皮层深层的神经功率信号传输到Computer,之后她就会垄断(monopoly)机械手拿起桌子的上面的玻璃杯喝下苦艾酒。Saul托实现的这一动作看似轻便,但实质上却无比千头万绪,大家在一年前就在她大脑中植入了电极,让他因而练习,调控移动相关的时限信号。

SimonBabayan和共事组装了三个满含超过500种单链揽胜极光NA病毒基因组连串的数据集,并用它成立了贰个模型,后面一个能经过行使机械学习算法来预测病毒的宿主和传媒。据Babayan等人揭发,关系看似的病毒平日有提到近乎的宿主,而病毒基因组组成的偏差会为宿主—病毒关系提供音信。它们的模型可用机器学习在具已知宿主的基因有关病毒的基因组间收取共演化频域信号,发掘可分别宿主和传媒类型的基因组个性。小编通过承认某种潜在的偶蹄类哺乳动物宿主和不为人不胜打探的蠓媒下刚果病毒而呈现了他们进行预测的力量。

当我们目睹Saul托拿起酒杯时,不禁在想,为何如此少的实信号就会决定二头机械臂?大家在日常生活中,能够不假思虑地摇荡本人的双臂,一样,脑机接口与神经假肢的靶子就是让病人能够自然地使用动作。为此,神经化学家几十年来都在转业于解码伸手、抓取等活动相关的神经确定性信号。即使进展迟缓,但地工学家一贯在时时刻刻研商新的技巧去追究大脑860亿个细胞里面包车型大巴时域信号交换。近期,大家早就能够精准地记下与运动调节相关的神经区域,而新一代的脑机接口技能也将让我们得以尤其十分熟练地操控神经假肢。

在相关小说中,MarkWoolhouse就Mimica等人的模子的局限性进行了探究,然则,他提出,那项讨论“是上前迈出的体贴一步,它有异常的大可能率预示,大家一向从病毒基因组连串中抽出有价值公卫音信的力量会拿走越来越的升官”。

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连锁散文音讯:DOI: 10.1126/science.aap9072

植入大脑的电极使Eric·Saul托能够调节机械手,与本文小编Richard·Anderson合影。

脑内“体姿细胞”可编码三个维度体位

1.从大脑到机械

据新的钻研开采,在小鼠顶叶皮层中新开掘的神经细胞可编码其躯体姿势和空间发掘。那些开掘提醒,这么些“体姿细胞”或是脑子如何将精通肉体在三个维度空间地方所需各类感官消息进行转译的根源。对贰个在别的景况中须求导航和生存的动物来说,其头颅必得接受并拍卖来自众多不一样感官输入的信息,将其与对世界已部分领会进行整合,然后向肌肉输出指令来持续地再次调解身体姿势以作出相应的反射。

脑机接口是经过收到和出殡和埋葬大脑音讯完结的,也等于对思想举行“读取”与“写入”,这也是两种主流的接口本领情势。“写入式”脑机接口平常采取微电流激情将数字信号输入神经协会。这一技术有的已成功采用于医疗领域,举例,人工耳蜗能够激起听觉神经,进而使失聪者恢复生机听觉;深度脑激情则能够功用于与移动调整相关的基底神经节,用于消除帕金森病和特发性震颤那类运动失于调养病症;别的,化学家也在研发新的装置,想通过激发视网膜来化解某个品种的失明症状。

固然这一资源消息的绝大许多具有中度的长空属性,但脑内并不设有单一的半空中参照框架或协和系统。相反,脑子必得将和睦系统间的这一新闻举办转载。可是,大家对令这一转账成为大概的神经时域信号所知甚少。先前的根本依据单一受限身体部位活动或作业的钻研显得,后顶叶皮层的功能与额叶运动皮层(即M2,那是七个涉嫌自己作主运动的脑区)有关,它在对身体空间构型的问询中起着至关心注重要的意义。在啮齿动物中,PPC细胞已被申明会编码二维中的轻易运动表现,而我说,大家对脑的那么些地点怎样在神经中显示自由活动场所下的人体姿势则知之甚少。

与之相反,“读取式”脑机接口则要求搜聚神经时域信号,近日尚处在钻探等第,仍有相当多急于的难题。现在已有点简便的神经非实信号读取技术,如头皮脑电能够记录几平方毫米区域的大脑协会的平分电活动,相同的时间采摘数百万个神经元叠合而成的非非确定性信号数据,并非有些意义回路中单个神经元的时限信号。效能性磁共振成像则是一种直接度量脑活动的本领,重要监测的是分裂脑区的血液变化。该才干比较头皮脑电技艺有越来越高的成像分辨率,但仍达不到脑机接口的须求。并且血流变化的反应不快,不适用于检查测量试验急速变动的脑活动。

巴特ul Mimica和同事对在三个维度情状中自由活动的大鼠姿势进行了追踪,他们还同期对那几个姿势如何在PPC和M2的单一神经元中获得展现开展了笔录。Mimica等人意识,PPC和M第22中学大多的神经细胞与头、颈和后背的特定姿势有关。其余,我声明,身体姿势可通过对那五个脑区的神经细胞活动开展解码而作出可靠的前瞻。

为了突破这几个限制,研商脑机接口的实验室平时选取记录单个神经元的随机信号。通过记录多量单个神经元的放电频率变化,就可以更明亮地询问大脑特定区域爆发了怎么。那二日,植入式微阵列电极的上进使大家得以色列德国州仪器量地记下大脑的电生理状态。如今大家应用的阵列电极是贰个4×4分米的电极块,上面固定有100根单通道电极,每根电极长度为1~1.5毫米,就像是叁个小型钉板。那样五个电极阵列能够记录100~200个神经元的功率信号。记录下来的神经功率信号将传送给“解码器”,它亦可辨识神经元的放电格局,然后将其编写翻译为对应的移位指令,进而使得机械臂或光标完成运动。这种“读取式”脑机接口便得以扶助到无数因久病而行动不便的人,比如脊髓损伤、脑卒中、多发性硬化症、渐冻症以及杜氏营养不良症的病者。

在有关文章中,Guifen Chen介绍了由那么些开采所启发的新的难题,它们与以往在小鼠的活动商讨中的结果相反。Chen写道:“未来内需张开试验,将Mimica等人在PPC-M2网络中新近开掘的架势细胞与曾经在啮齿类和灵长类PPC中的切磋结果实行和谐联合,那样手艺分明这个细胞怎样对PPC复杂的回味功效提供帮衬。”

我们实验室致力于研究开发用于高位截瘫伤者的脑机接口,接口会从大脑皮层,即大脑表面约3毫米厚的组织中搜集数据。假若将人的大脑皮层展平,每一种大脑半球的肌肤面积大致有8万平方分米。随着记录数据的充实,大家开采了越来越多负责特定功用的脑区,近来对大脑的功效分区已经超(Jing Chao)过了1柒14个。这几个区域分别管理特定的认为音讯,与其它脑区相互连接,发生体味、抉择和移动表现。

连带随想音讯:DOI: 10.1126/science.aau二零一一

不难易行来讲,脑机接口能够在大脑皮层的逐个岗位运用成效。大家的认为器官向大脑输入感到时域信号时会在初级认为皮层举办加工。初级认为皮层可以检验光线射入视网膜的角度和强度,或然外周神经末梢感受到的激情。位于初级感觉皮层之间的是一块皮层,它们有的与语言成效相关,有的肩负物体识别,还会有的与心境、抉择和实施调整有关。

一点切磋集体已经开首从瘫痪伤者中采摘多量的单神经元电生理数据,那样能够让他俩在实验室条件下决定神经假肢。但是,这个神经假肢还不能够像心脏人工心脏起搏器同样全面保障,因而离实际选取还应该有一段距离。平日的话,这一个实验室主要关怀的是移动皮层,而小编辈想要利用在同步皮层记录到的神经时限信号来全面脑机接口的变现,能够更快速正确地解码神经功率信号,获取病者的活动意图。

自个儿的研究团队主要关注的是贰个叫后顶叶皮层的脑区,它承受规划运动的原初。大家以前在残疾人灵长类动物的研商中发觉后顶叶皮层的二个子区——侧顶内沟,那些区域能够统一计划并运行眼睛运动。规划手臂运动则由后顶叶皮层的另三个子区——顶叶伸手控区完毕。类似的,东京(Tokyo)高校的坂田秀夫(HideoSkata)也意识前顶内沟在抓握运动中起到第一意义。

设若想要通过脑机接口调节机械,将后顶叶皮层作为脑控非信号源会更具优势。因为后顶叶皮层能够同一时候加入两边身体的调整,而活动皮层在大脑半球各有一个,却分别只可以调节一侧身体的活动。其余,后顶叶皮层还含有与移动指标相关的信息,例如猕猴在察看某样物体并想要去抓取物体时,后顶叶皮层会立时产生反应,标识和决断指标物体的地点。相反,运动皮层的实信号则与运动路线相关。解码后顶叶皮层编码的移位指标新闻可见在几百飞秒内成功,而解码运动皮层编码的活动轨迹消息则需求几秒的日子。

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2.从实验室到病患

后顶叶皮层钻探从动物试验转向人类经历了十分长的光阴,大家在开展了15年的有关研商后,才开展了第一例人类电极阵列植动手术。在那在此之前,大家是在猴子大脑植入与病人一致的电极阵列,然后练习猕猴调节脑控光标或机械臂。

在首例人脑电极阵列植出手术在此以前,大家构建了三个由物工学家、临床医务卫生人士和康复专家组成的团组织,那个大家分别来自巴黎综合理哲高校、南密苏里大学和马里兰洲大学学圣保罗分校以及EvoqueLA国家康复宗旨(RanchoLosAmigosNationalRehabilitationCenter)和卡Saco利纳康复医院。该试验获得了美利坚合众国食物及药品管理局的许可,并按实验室、医院临床以及康复宗旨三方伦理安全核实都通过的步调进行。这几个类型的志愿受试者是的确的前任,因为在参加项目事先,他们就明白并不一定会因项目而收入。他们采用插手项目,是为了匡助完善脑机接口才能,进而使那项本领有朝二16日可认为大伙儿所用。二〇一三年十一月,神经妇骨科医师查理·刘(CharlesLiu)和Bray恩·李给Saul托完毕了电极植入。手术称得上完美,之后大家就起来等待术后重操旧业期甘休后张开后续试验。

本身有四个在United States宇宙航香港行政局喷射推进器实验室专门的工作的同事,这么些实验室创建过罗睺探测器。他曾和自身说,探测器走入火星大气层后的8分钟给她推动了未知的害怕。而自个儿在守候Saul托术后复原的那三个星期,一样处于深远的焦炙之中——究竟植入电极会不会工作?就算大家早就知道在残废人灵长类中相似的脑区是怎么着利用功效的,但对人脑来讲仍是一片未知,以前并未有任哪个人采撷过人类后顶叶皮层脑区神经元的数额。

在测量试验起头后的率先天,大家从电极中检查评定到了神经复信号,在后头的七日,大家赢得了十足数量的神经实信号用于解码器的磨炼。接下来,大家早先测验Saul托能或不可能通过大脑运动来驱动机械臂成功运动了。Saul托的率先个义务是将机械手旋转到切合的通向并与尝试人士握手。令她感叹的是,他居然真的能够成功这一动作,大家也很提神,因为那是她受到损伤之后,第一遍能够用意志力通过机械臂的移动与外面交互。

公众常常会问,学会使用脑机接口要花多久?事实上,全部人都能高效就学会操控机器,利用大脑的觉察消息调整机械臂是极度自然和简易的。通过想象区别的动作,Saul托能够看出机械记录到的大脑神经元活动,同不日常间她也得以调整是不是要激活那么些神经元。

在研讨发轫时,大家曾问过病者,假若实验成功的话,想调节机械臂做哪些。Saul托那时说他想在尚未人辅助的事态下团结喝一口特其拉酒,而在研究始于一年后,他促成了那个意愿。在与怀俄明香槟分校大学的Spencer·凯利斯的切磋团队,以及John·霍普金斯大学应用物理实验室的机器人专家共同搭档后,大家中标地将Saul托的觉察信号和机器视觉加工以及机器人工夫构成在了联合。机器视觉的算法会剖判源于录制机的音讯,而移动意图消息会结合那几个视觉算法驱动机械臂运动。得益于此,在大家的欢呼声中,Saul托落成了他的愿望。二〇一四年大家在《科学》杂志上刊载了第一篇有关利用后顶叶皮层的活动意图复信号调控神经假肢的稿子。

除了那几个之外索尔托,还应该有其余的受试者也到场了考试。Nancy·Smith曾经到场试验5年了。她因为10年前的一场车祸产生四肢瘫痪,在那在此以前她曾是高中的微型Computer图形学助教,业余时间喜欢弹钢琴。Tyson·阿夫拉洛的小组承担Smith的试验,他们在Smith的后顶叶皮层脑区中窥见了细密调节双臂各种手指的区域。利用虚构现实技艺,她能够透过想象调整机械手的指尖运动,并用电子钢琴弹奏出简单的节拍。

3.从目的消息到动作

我们欣喜地意识,神经元编码的复信号与伤者的意图休戚相关,从区区几百个神经元的活动中得以解读出海量的音信。因此,大家能够解码大多认知活动,满含移动宗旨(比如是在脑海中想象运动恐怕尝试令人体做出运动)、手指的活动、抓握的手势、旁观行为、听到如“抓”只怕“推”那类动词,以及算数行为。最巧妙地是,我们只要植入微小的电极,就能够解码一位这么多样的来意和表现。

唯独,为何从一小块脑组织得以博得那样多的消息吗?这让自家想起在今后碰着的三个近乎的难题。当本人在John·Hope金斯大学Vernon·芒卡斯尔(VernonMountcastle)的实验室担负大学生后研究员时,重要承担讨论猕猴的后顶叶皮层是什么表征视觉空间的。大家的眸子就如一台相机,当图像投射到视网膜上时,视视网膜将光激情的职位音讯传输给大脑,那么万事图像便改动为依附视网膜坐标下的光强信息。各个视网膜上的神经细胞对坐标系中的一小块特定区域的图像有反应,那么些区域被称作感受野。眼睛与相机的分化之处在于,当相机摇晃时,图像也随之颤动,但当人眼运动时,你看看的世界是相对平静的。那就象征,眼睛接收到的视网膜图像须要被转接为空间的视觉表象,相当于说,视网膜上的消息必须在神经元层面调换来空间新闻,我们工夫在眼球活动时不以为天旋地转。

后顶叶皮层就是达成这一职分的重中之重脑区,它能够对视觉音讯实行复杂加工,实现视觉空间的坐标系调换。在伸手做抓取运动的进度中,大脑同样须要将双眼注视的地点音信归入总结加工,而后顶叶皮层损伤的患儿是无力回天精确到位抓取动作的。芒卡斯尔的实验室开采,后顶叶皮层的各类神经元的感受野都会对视觉场景中某一有的有感应,同有时间,那些神经元还只怕会记录眼睛收视返听的任务消息。当神经元将感受野和地方音信混合后,因为其重组了三种性格音讯,大家将这么的视觉复信称得上作混合表征,也称增益野。

新兴,小编在与爱荷华高校卡尔加里分校一街之隔的Saul克钻探所(SalkInstitute)获得了第三个正规教员职员,继续研讨大脑是哪些表征空间音讯的。那时本人和印第安纳大学金奈分校切磋神经互连网的理论神经地军事学家大卫·兹普瑟(大卫Zipser)教授同盟,在《自然》杂志上联合宣布了一项钻探——大家创设了一种Computer模型,能够将视网膜坐标与眼睛全神关注的职责音讯整合起来,在眼睛运动的情形下生成平安的坐标空间。通过对Computer神经网络的练习,它们等同能够演变出增益野,那与大家在后顶叶皮层的试验结果同样。在模拟互联网中,把视觉复信号和肉眼注视地点的音信混合后,再把混合音信输入单个神经元,最少只需9个神经元便可编码出全体视线音讯。

前段时间,化学家也起头逐年关切神经元相同的时间编码多个变量的鱼目混珠表征,即增益野。例如,有实验发现前额叶皮层会记录两类别型的记得职责,以及差异物体的视觉激情,也正是该区域的神经细胞会编码混合表征。这一切磋只怕能够越发解释后顶叶皮层的职业原理。实验中,我们让Smith调整荧屏上的假肢完毕8种差别的结合职分。首先,她要选取使用的政策,即接纳想象运动或然实际运动;接着,她要挑选运动的可行性,向左或向右;然后,是选项入手照旧动肩。大家发掘后顶叶皮层的神经细胞以混合格局编码了上述全数的消息,那些音信互相功用并发出出分歧常常的响应格局,那与动物试验中发觉的轻便交互结果完全两样。

事实上,混合表征的编码还应该有更加精致的分类。比方,三个调节右臂运动的神经细胞很有十分的大可能率对右臂运动也可以有感应,但调整肩膀运动的神经细胞则对手部运动反应十分小。这种脾性格局我们誉为部分掺杂选用性(partiallymixedselectivity)。目前,大家早就开掘了部分掺杂表征中的一些共同点,它们大概构成了移动编码的语义框架。编码相似运动的神经细胞的影响也日常,四个对抓取物体的录制有感应的神经细胞一样只怕在大家听到“抓”那个词的时候活跃起来,但编码“推”这些动作的神经细胞则与它们统统分化。大意上说,部分混合编码正是会管理日常的动作(左右边手的动作就相比日常),而将不相同的展现加以分离的经过(肩膀和手掌的位移就有大幅的反差)。混合和一些混合编码在一同皮层都存在,大家还索要追究在掌管语言、物体识别和活动实施的脑区是否也存在这种规律。别的,大家也在想,初级以为皮层和平运动动皮层是还是不是也不无类似的某些混合编码的特点。

下一步,大家想掌握在不影响神经假肢使用的情状下,受试者终归能学习有个别新职务。假如大脑真的能够学习运用假肢,完结各个新职分,那么或者大脑的别样脑区都得以植入电极,然后通过磨炼,利用脑机接口施行不一的职务——也许在低等视觉皮层植入电极也得以调控脑机接口完毕非视觉职分。可是,借使学习是有限定的,那么恐怕在移动皮层植入电极就只或许学会运动任务。起码从已有的结果来看,想要获得何种功能,电极照旧相符植入在原先就承担有关职能的脑区。

4.从机械重返大脑

脑机接口的效能自然不能够只限于搜罗并管理非确定性信号,还应负有反映新闻的工夫,比方抓取物体时,视觉反馈有利于修正机器运动的轨道。此外,手的岗位和姿态会由指标物体的职分和形象决定。尽管拿起物体后未有别的触觉和人身以为,肉体的行为展现就能够显著变差。因而对于脊髓损伤的受试者来讲,为假肢扩大感到反馈是极度有要求的。他们脚下还感受不到触觉和身体位置音讯,而那几个以为对于发出流畅而连贯的动作并非常重要。理想的神经假肢应当要有双向通讯的力量:不唯有能够传输使用者的主张,也要将假肢传感器感受到的音信陈聊起使用者的大脑。美利坚同车笠之盟苏州大学的罗伯·冈特便在希图缓慢解决这一难点,他们在一人大脑瘫痪病者的身子以为皮层植入了阵列电极——这几个区域肩负管理来自个儿体的感觉新闻。通过埋置在肉体以为皮层的阵列电极,Gunter实验室对受试者的大脑实行了微电流激情,而受试者则告知说感受到了来自手部表面包车型地铁鼓劲。

咱俩一致也在患儿的骨肉之躯感觉皮层担任手臂感知的区域植入了电极。令大家惊讶的是,受试者说她感触到了被掐住、轻触和打动等源于体表的认为,同期她还爆发了四肢活动的痛感。这几个实验评释,那一个由于高位截瘫而丧失了人身知觉的病人能够因此脑机接口完成以为的写入。下一步,我们将动用具备认为反馈手艺的脑机接口来验证进级后的技艺是还是不是晋升大脑调节假肢的变现。大家还想掌握,在参预感到反馈之后,受试者是不是会对假肢发生“一体感”——认为假肢真的成为了和谐身体的一局地。

脑机接口的另第一次全国代表大会挑衅是电极的研究开发。近日的植入电极常常能够接纳5年,大家期望得以延长电极的施用时间,扩大能够记下的神经细胞个数。别的,扩展电极的长度也可能有益于记录更加多位于大脑皮层褶皱中的神经元功率信号。这两天,有一种柔性电极,能够在大脑随血压变化、呼吸节律等要素发生位移时,和大脑一齐运动,二者会维持相对平稳,因而柔性电极能够推动特别安定的笔录成效。当前大范围利用的微阵列电极属于刚先生性电极,需求每日对解码算法举办改进。因为刚性的电极在脑内的地方会产生变化,与神经元的相对距离就能够区别,进而致使复信号变化,而大家期待可以接连数周乃至数月对同样群神经元举办稳固记录。

电极的植入装置也供给进一步压缩并减少功率,避防让大脑过热。即使能够使用有线传输实信号,我们还足避防去底部连线的麻烦。近来有所的脑机接口都亟待经过手术成功植入,大家希望有朝29日能够通过跨颅骨的不二秘诀来记录神经元发出的信号,记录精度也能和侵入式电极比美。

理之当然,商讨脑机接口的目标是帮扶瘫痪伤者。可是科学幻想随笔、电影和传播媒介都更关怀利用脑机接口来增长人类,以至推动“超人”般的力量。然则,唯有当非侵入式本领丰硕完善时才恐怕去发展所谓的“加强”本事。

末段自身想说,作为壹人做调研的物教育学家,很欣喜自个儿的研究成果能够给伤者带来扶助。科学探究对此能力进步和医疗器具的研究开发来说是重大的,若是能够将应用研讨转化为临床使用,那么就是使商讨者的大力赢得了最棒的升高。当伤者能够使得机械手臂和那些世界互相时,他们会以为无比的高兴,而作者辈也会因他们的兴奋而赢得难以言喻的满意。

(本文笔者Richard·Anderson是U.S.A.耶鲁大学James·鲍斯Will神经科学讲席教师,同期也是盛大互联网CEO陈天桥雒芊芊脑机接口钻探大旨的上位地文学家及决策者。他的研究内容包含视觉、听觉、平衡觉、触觉与移动以及神经假肢的研究开发。Anderson也是美利坚合众国科高校和United States文科理科高校院士。译者王天威是中国中国科学技术大学学神经调研所的博士生)

本版图像和文字由《全球科学》杂志社供稿

《光前晚报》( 二零一四年0三月09日14版)

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