新的人工智能材料会学习行为并适应不断变化的条件

新的人工智能材料会学习行为并适应不断变化的条件这种材料是由一个带有可调谐梁的结构系统构成的，使其能够根据动态环境改变其形状和行为。这项研究的结果最近发表在《科学机器人》杂志上，它对建筑物的建造、飞机的开发和成像技术等方面都有影响。领导这项研究的加州大学洛杉矶分校塞缪里工程学院的机械和航空航天工程教授乔纳森-霍普金斯说："这项研究引入并展示了一种人工智能材料，它可以在增加暴露于环境条件下学习表现出理想的行为和特性。用于机器学习的相同基础原则被用来赋予这种材料的智能和适应性。"例如，当这种材料用于飞机机翼时，它可以学习根据飞行过程中的风向变形机翼的形状，以提高飞机的燃油效率和操作稳定性。这种材料也可以在建筑结构的某些区域自我调整硬度，以便在地震或其他自然或人为灾害中提高整体稳定性。研究人员通过使用和修改现有人工神经网络（ANN）的概念，在一个相互连接的系统中创建了人工神经网络（ANN）组件的机械等价物，ANN是驱动机器学习的算法。该团队的创造，即机械神经网络（MNN），是由以三角格子模式排列的单独可调整的梁组成的。每根横梁都配备了音圈、应变片和挠性装置，使其能够改变长度，实时适应其不断变化的环境，并与系统中的其他横梁互动。资料来源：加州大学洛杉矶分校的灵活研究小组音圈的名字来自于最初在扬声器中用于将磁场转换为机械运动的装置，它可以实现微小的压缩或膨胀，以响应施加于梁上的新力。应变片负责从梁的运动中收集数据，用于控制学习行为的算法，挠性体充当了可移动梁之间的柔性接头，以连接系统。然后，一个优化算法通过从每个应变片中获取数据并确定刚性值的组合来调节整个系统，以控制网络应如何适应施加的力。为了检查应变片监测系统的有效性，研究小组还使用了在系统的输出节点上训练的摄像机。该系统的早期原型在应用力的输入和MNN响应的输出之间表现出滞后，这影响了系统的整体性能。该团队测试了梁上的应变片和挠性片的多次迭代，以及不同的晶格模式和厚度，然后实现了他们公布的设计，该设计设法克服了滞后性，并在所有方向上准确地分配应用力。"确定[网络]学习失败的原因对于理解如何设计成功学习的MNN很重要，"研究人员分享了他们在过去五年中如何通过试验和错误解决这个问题。目前，该系统大约有一个微波炉大小，但研究人员计划简化MNN设计，以便在三维晶格内的微观尺度上制造成千上万的网络，用于实际材料应用。除了在车辆和建筑材料中使用这种材料之外，研究人员建议MNNs也可以被纳入防护服以抵御冲击波，或者被纳入声学成像技术以利用声波。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1333551.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1333551.htm

铁含量引发细菌形成一种"记忆"并世代相传

铁含量引发细菌形成一种"记忆"并世代相传大肠杆菌的显微图像。资料来源：美国国立卫生研究院这项研究的第一作者苏维克-巴塔查里亚（SouvikBhattacharyya）说："细菌没有大脑，但它们可以从环境中收集信息，如果它们经常遇到这种环境，它们就可以储存这些信息，并在日后快速获取这些信息，从而使自己受益。"细菌可以很容易地适应环境，这就引发了关于细菌是否可以存储信息以实现这种适应性的理论和实验。研究人员已经确定，先前的经验--细菌种群在固体或半固体表面的快速、协调运动会提高随后的繁殖性能，但他们想了解为什么会出现这种情况。在进行了1万多次单细胞蜂群试验后，他们发现细菌信息收集和记忆的关键在于铁元素。巴塔查里亚说："在地球大气中出现氧气之前，早期的细胞生命利用铁来完成许多细胞过程。铁不仅对生命的起源至关重要，而且对生命的进化也至关重要。细胞以这种方式利用铁是合情合理的。"研究人员发现，"铁记忆"预先存在于自由浮游的细菌细胞中，并通过蜂拥行为得到强化。铁含量低的细胞更善于成群繁殖，而形成生物膜的细胞铁含量则较高，生物膜是指附着在表面上和/或彼此间的密集细菌群。这些被黏液包裹的生物膜是一种生存机制，可以保护细菌免受宿主免疫系统和抗生素的侵害。实验室平板上的细菌群。图片由德克萨斯大学奥斯汀分校提供他们观察到，母细胞的铁记忆（与其成群潜能相关）会传给第四代子细胞。到第七代时，这种记忆自然消失，而人为控制铁含量则能使这种记忆持续更长时间。根据研究结果，研究人员推测，铁含量低会触发细菌记忆，使它们形成快速移动的迁徙群，在环境中寻找铁。当铁含量高时，记忆会告诉细菌定居下来，形成生物膜。巴塔查里亚说："铁的含量肯定是治疗的目标，因为铁是毒力的一个重要因素。归根结底，我们对细菌行为了解得越多，对付它们就越容易。"这项研究发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1398907.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1398907.htm

形状记忆植入物可使不能动弹的肌肉不致萎缩

形状记忆植入物可使不能动弹的肌肉不致萎缩纵向贯穿植入物的是一个由镍钛合金制成的弹簧。后者是一种形状记忆合金，在被机械拉伸到某一长度后会暂时保持该长度，但在被加热到某一温度后会恢复到其默认的较短长度。该弹簧被包裹在一个矩形弹性体基体中，该基体提供热绝缘，在不加热的情况下会将弹簧拉长。弹性体上的生物相容性粘合剂使其能够粘附在底层肌肉组织上。其想法是当病人的胳膊或腿因受伤或疾病（如多发性硬化症）而无法动弹时，通过手术将MAGENTA植入肢体的目标肌肉。一个独立的（但有硬线连接的）微处理器/电池植入物随后定期向MAGENTA提供电流，加热镍合金弹簧并使其收缩。当它这样做时，肌肉（和弹性体）也随之收缩。当电流再次关闭时，弹性体将弹簧以及肌肉拉回。在实验室测试中，小鼠将该装置的一个微小版本植入一条后腿的小腿肌肉，然后将该腿固定在一个类似石膏的装置中，时间长达2周。实验的结果证明，这种想法是有希望的。"虽然未经治疗的肌肉和用该设备治疗但未受刺激的肌肉在这一时期明显消瘦，但主动刺激的肌肉显示出肌肉消瘦的减少，"关于这项研究的论文的第一作者SungminNam博士说。"我们的方法还可以促进在三周的固定期间已经损失的肌肉质量的恢复，并诱导激活已知的引起蛋白质合成和肌肉生长的主要生化机械传导途径。"另外研究人员还发现，MAGENTA不需要与电源硬连接，而是可以通过激光照射其上的皮肤来无线激活。采取这种方法目前还不如通过电流加热弹簧有效，但希望一旦技术得到进一步发展，这种情况可能会改变。高级作者DavidMooney博士说："虽然该研究首次提供了概念证明，即外部提供的拉伸和收缩运动可以防止动物模型的萎缩，但我们认为该设备的核心设计可以广泛适用于萎缩是一个主要问题的各种疾病环境。"这篇论文最近发表在《自然材料》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1332799.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1332799.htm

研究发现记忆障碍饱和脂肪会阻碍老化大脑的记忆形成

研究发现记忆障碍饱和脂肪会阻碍老化大脑的记忆形成同一实验室在早些时候对衰老大鼠的研究中发现，高加工成分饮食会导致大脑产生强烈的炎症反应，并伴有记忆力衰退的行为表现，而补充DHA则可以防止这些问题。俄亥俄州立大学行为医学研究所研究员、医学院精神病学和行为健康与神经科学副教授、资深作者露丝-巴里恩托斯（RuthBarrientos）说："这篇论文最酷的地方在于，我们第一次真正开始按细胞类型来区分这些东西。我们实验室和其他实验室经常研究海马体的整体组织，观察大脑对高脂肪饮食的记忆反应。但我们一直很好奇哪些细胞类型会或多或少地受到这些饱和脂肪酸的影响，这是我们首次尝试确定这一点"。这项研究最近发表在《细胞神经科学前沿》（FrontiersinCellularNeuroscience）杂志上。在这项工作中，研究人员重点研究了小胶质细胞（大脑中促进炎症的细胞）和海马神经元（对学习和记忆非常重要）。他们使用了永生化细胞--取自动物组织的细胞拷贝，这些细胞经过改造，可以不断分裂，只对实验室刺激做出反应，这意味着它们的行为可能与同类型原代细胞的行为并不完全一致。研究人员让这些模型小胶质细胞和神经元接触棕榈酸（猪油、起酥油、肉类和乳制品等高脂食品中含量最高的饱和脂肪酸），以观察棕榈酸如何影响细胞内的基因激活以及线粒体的功能（线粒体是细胞内的结构，具有产生能量的主要代谢作用）。结果表明，棕榈酸会促使基因表达发生变化，这与小胶质细胞和神经元中炎症的增加有关，但小胶质细胞中受影响的炎症基因范围更广。用一定剂量的DHA（鱼类和其他海产品中的两种欧米加-3脂肪酸之一，也可以用补充剂形式获得）预处理这些细胞，对两种细胞类型的炎症增加都有很强的保护作用。这项研究的第一作者、巴里恩托斯实验室的研究科学家迈克尔-巴特勒（MichaelButler）说："以前的研究表明，DHA对大脑有保护作用，而棕榈酸对脑细胞有害，但这是我们第一次研究DHA如何在这些小胶质细胞中直接抵御棕榈酸的影响。"然而，当涉及线粒体时，DHA并不能阻止暴露于棕榈酸后的功能丧失。在这种情况下，DHA的保护作用可能仅限于对与促炎反应有关的基因表达的影响，而不是饱和脂肪也会诱发的代谢缺陷。在另一组实验中，研究人员通过观察另一种叫做突触修剪的小胶质细胞功能，研究了高饱和脂肪饮食如何影响老年小鼠大脑中的信号传递。小胶质细胞监控神经元之间的信号传递，并啃掉多余的突触棘（轴突和树突之间的连接点），以保持理想的通信水平。小胶质细胞暴露在含有突触前和突触后材料的小鼠脑组织中，这些材料来自喂食高脂肪饮食或普通饲料三天的动物。小胶质细胞吃掉高脂饮食老年小鼠突触的速度比吃掉普通饮食小鼠突触的速度更快--这表明高脂饮食对这些突触产生了某种作用，使小胶质细胞有理由以更高的速度吃掉它们。巴特勒说："当我们谈论需要进行的修剪或细化时，这就像'金发姑娘'（Goldilocks）：它需要达到最佳状态--不能太多，也不能太少，如果这些小胶质细胞过早地吃掉太多东西，就会超过这些棘刺重新生长和建立新连接的能力，因此记忆就无法巩固或稳定。"从这里开始，研究人员计划扩展与突触修剪和线粒体功能有关的发现，并观察棕榈酸和DHA在幼年和老年动物的初级脑细胞中的作用。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1387349.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1387349.htm

咖啡中所含的化合物可改善与年龄有关的记忆力和学习能力衰退

咖啡中所含的化合物可改善与年龄有关的记忆力和学习能力衰退研究人员越来越多地转向具有神经保护特性的天然生物活性化合物，以延缓大脑衰老的进程。由日本筑波大学研究人员领导的一项新研究调查了咖啡豆中高浓度的生物碱化合物三尖杉碱（TG）如何影响小鼠的认知功能。咖啡因、TG和烟酸（烟酸或维生素B3）是咖啡中三种重要的生物活性化合物。在咖啡豆的烘焙过程中，TG会被分解成烟酸，而烟酸对神经系统、消化系统和皮肤都有好处。不过，研究发现TG本身也有治疗作用。葫芦巴种子和日本萝卜中也含有这种化合物。在目前的研究中，研究人员使用了表现出空间学习障碍和记忆力减退症状的年龄加速小鼠，以5毫克/千克/天的剂量连续30天口服TG。30天后，小鼠接受了一项行为测试，以测量空间学习和记忆能力。海马体是颞叶深处的一个复杂的大脑结构，海马体受损的常见后果是出现空间记忆问题，如迷路或忘记物品放置的位置。在人类中，海马体积会随着年龄的增长而减小，这可能会导致与年龄相关的认知能力下降。研究人员发现，与未服用TG的小鼠相比，服用了TG的小鼠在空间学习和记忆能力方面有明显改善。鉴于海马依赖性空间记忆衰退的减少，研究人员对TG在海马中的生物效应进行了研究。基因转录的动态变化对大脑建立长期记忆和记忆检索过程至关重要。因此，研究人员分析了小鼠海马的全基因组转录组学。他们发现，在以TG为食的小鼠中，与神经系统发育、细胞能量产生、炎症和自噬（人体重新利用旧细胞和受损细胞的过程）有关的信号通路受到了显著调节。突触特异性基因也被上调，包括那些控制突触可塑性的基因。突触可塑性是神经元改变其连接强度的能力，被认为是学习和记忆保持过程的基础。此外，研究人员还发现，TG通过负向调节导致促炎细胞因子产生的途径，抑制了神经炎症，同时显著提高了对正常大脑功能至关重要的神经递质：多巴胺、去甲肾上腺素（去甲肾上腺素）和血清素。研究人员说："总之，我们的研究为我们了解TG在改善与衰老相关的认知能力下降方面的治疗潜力提供了宝贵的见解，突出了TG针对神经炎症、突触功能和海马神经递质释放的能力。因此，TG可被视为一种潜在的辅助药物化合物，用于改善认知衰老和与神经炎症相关的中枢神经系统（CNS）功能障碍。"对于那些希望通过喝咖啡来提高TG含量的人来说，2014年的一项研究发现，一杯标准的意大利浓缩咖啡（0.8盎司/25毫升）平均含有42.4毫克的TG，其中阿拉比卡咖啡的TG含量高于罗布斯塔咖啡。如果您不想过于兴奋，无咖啡因咖啡也含有TG。这项研究发表在《GeroScience》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1386181.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1386181.htm

科学家发现掌管学习和记忆的基因已有6.5亿年历史

科学家发现掌管学习和记忆的基因已有6.5亿年历史研究人员发现，与学习和攻击等复杂行为有关的基因起源于大约6.5亿年前，可能影响了寒武纪大爆发。这一发现可能有助于人们了解包括人类在内的动物各种复杂行为的起源。费达博士说："我们很早就知道血清素、多巴胺和肾上腺素等单胺类物质是神经系统中的神经调节剂，在学习和记忆等复杂行为和功能以及睡眠和进食等过程中发挥作用。然而，这些单胺类物质的产生、检测和降解所需的基因的起源却不那么确定。利用计算方法，我们重建了这些基因的进化史，结果表明，大多数参与单胺类物质的产生、调节和接收的基因都起源于两栖动物的茎群。罗伯托-费达博士资料来源：莱斯特大学"这一发现对复杂行为（如我们在人类和其他动物身上观察到的受单胺调节的行为）的进化起源具有深远影响"。作者认为，这种调节神经元回路的新方法可能在寒武纪大爆发--即所谓的大爆炸--中发挥了作用，通过提供神经回路的灵活性来促进与环境的互动，从而产生了当今大多数主要动物群体的最大规模的生命多样化。费达博士补充说："这一发现将开辟新的重要研究途径，阐明复杂行为的起源，以及是否由相同的神经元调节奖赏、成瘾、攻击、进食和睡眠。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1385397.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1385397.htm