“神威之心-超导版”的控制中心里,气氛紧张而又充满了期待。
在过去的数周时间里,这台庞大的计算机器几乎將一半的核心算力,都投入到了对那500tb小白鼠神经元原始数据的分析之中。
徐涛、高翔、索菲亚,以及丰院士团队的李哲等人,几乎是全天候地驻扎在这里。他们的目標只有一个:从那片看似混沌的信號海洋中,为神经“噪声”建立一个精確的数学模型。
今天,就是检验他们成果的时刻。
“所有数据分析完毕。”索菲亚的声音在安静的控制中心里响起,她的指尖在键盘上轻快地敲击著,调出最终的分析报告,“高博士的预测是完全正確的。神经元膜电位的自发波动,其功率谱密度,在双对数坐標系下,呈现出非常清晰的线性关係,冪指数α的值,在0.8到1.2之间浮动。”
“此外,我们计算了信號的赫斯特指数(hurst exponent),得到的值大约在0.75左右,显著大於0.5。”高翔在一旁补充道,“这明確地证明了,这个隨机过程具有长程正相关性,也就是我们之前討论的『记忆性』。它不是白噪声。”
这些冰冷的数据和术语,对於在场的生物学家和计算机科学家来说,却像是最动听的音乐。它们无可辩驳地证明了,神经元的“噪声”,並非完全的混沌,而是遵循著一种深刻的、具有分形特徵的数学规律。
“所以,我们的第一步,从『画像』到『模型』,已经完成了。”徐涛的目光扫过在场的每一个人,脸上带著自信的笑容,“我们已经成功地为小白鼠神经元的『噪声』数据,建立了精確的数学模型——一个基於『分数布朗运动』的隨机过程。”
他转向索菲亚:“接下来,就是第二步。把这个『数学幽灵』,真正地注入到我们的人工神经元之中。”
这项工作,由徐涛和索菲亚联手负责。
他们没有选择传统的、静態的深度神经网络(dnn)作为基础,而是选择了一个更接近生物神经元工作方式的模型——脉衝神经网络(snn)。
与传统神经网络传递连续的激活值不同,脉衝神经网络中的神经元,通过发送离散的、时间序列上的“脉衝”来进行信息传递,这与生物神经元的“全或无”放电特性更为相似。
接下来的几天,徐涛和索菲亚几乎是將自己关在了代码的世界里。他们將那个复杂的、基於分数布朗运动的隨机过程模型,进行编码和优化,最终將其作为一个內置的“混沌干扰源”,巧妙地整合进了经典的“leaky integrate-and-fire(lif)”脉衝神经元模型之中。
这个干扰源,就像一个微小的、永不停歇的“背景噪音”產生器,持续地对人工神经元的膜电位进行微扰,模擬真实生物神经元內部和外部的复杂生化环境。
一周后,世界上第一个能够模擬生物神经元“非確定性”响应的简易版模型,在他们的手中诞生了。
徐涛將其命名为——“脉衝神经元-混沌版”(snn-chaos neuron v1.0)。
模型构建完成的当天下午,项目组所有核心成员再次聚集在控制中心,进行第一次正式的功能测试。
“测试目標很简单。”徐涛站在主屏幕前,对眾人说道,“我们要验证,对於完全相同的输入信號,我们的『混沌神经元』,是否能像真实生物神经元一样,產生不同的输出响应。”
他设置了一个简单的测试程序:一个恆定的、强度为10毫安的输入电流,將持续刺激这个单神经元模型100毫秒。这个过程,將重复执行十次。
更新不易,记得分享101看书网
“如果它是一个標准的lif神经元,”索菲亚在一旁解释道,“那么我们將会看到十条完全重合的、具有固定频率的输出脉衝序列。”
徐涛深吸一口气,按下了执行按钮。
所有人的目光,都死死地盯住了屏幕。
屏幕上,十次独立的测试结果,以十种不同的顏色,被同时绘製了出来。
结果出现的瞬间,控制中心里响起了一阵压抑不住的惊呼声。
那十条输出脉衝序列,没有任何两条是完全一样的!
它们看起来都遵循著某种大致的规律,放电频率都在一个相似的区间內波动。但是,每一个脉衝出现的具体时间点,都存在著微小的、隨机的偏差。有的脉衝提前了一点,有的则延迟了一点,还有的甚至出现了微小的“簇放电”现象。
“把这十条输出序列的『变异係数(coefficient of variation, cv)』和『峰峰间隔(inter-spike interval, isi)』分布计算出来。”高翔立刻说道。
徐涛迅速执行了指令。几秒钟后,计算结果与李哲提供的、真实小白鼠神经元的统计数据,被並列显示在了屏幕上。
高度吻合!
无论是描述放电离散程度的cv值,还是描述放电节律的isi分布图,他们的人工模型,都以极高的精度,復现了真实生物神经元的统计特性。
“成功了……”索菲亚看著屏幕,湛蓝色的眼睛里写满了震撼,“我们……我们真的在代码层面,復现了『不確定性』!”
控制中心里爆发出了一阵热烈的掌声。丰院士的团队成员们,看著屏幕上那熟悉的、充满了“生命力”的脉衝图,眼神中充满了激动。他们第一次看到,自己实验室里那些“不完美”的生物数据,被如此完美地转化为了精確的、可计算的数学模型。
然而,就在所有人都沉浸在这份阶段性胜利的喜悦中时,作为主要创建者的徐涛,却再一次皱起了眉头。
“高兴得太早了。”他泼了一盆冷水下来,“单个神经元的成功,只是万里长征的第一步。真正的考验,在於由它们组成的网络。”
他没有停顿,立刻开始了第二项测试。
“我们现在,將一千个这样的『混沌神经元』,连接成一个简单的三层全连接网络。”徐涛快速地构建著新的测试环境,“让它去学习一个最基础的视觉任务——识別mnist手写数字数据集。”
这是一个对於任何一个成熟的神经网络来说,都简单到不能再简单的“hello world”级任务。
“如果是一个標准的神经网络,完成这个任务的训练,並达到99%以上的准確率,只需要几分钟。”徐涛说道。
他加载好数据集,启动了训练程序。
然而,接下来发生的事情,却让所有人的心,都沉了下去。
屏幕上,代表著网络损失函数(loss function)的曲线,並没有像预期的那样平稳下降,而是在高位进行著剧烈的、无规律的震盪,迟迟无法收敛。代表著识別准確率的数值,则始终在10%左右徘徊——这和隨机乱猜,没有任何区別。
时间一分一秒地过去,十分钟,二十分钟……
网络的状態,没有任何改善。
“停止训练吧。”高翔的声音有些低沉。
结果已经很明显了。由於每一个神经元都充满了隨机性,整个网络的行为,变得像一群无法被指挥的、各自为政的士兵,完全陷入了混乱。信號在传递的过程中,被一层层地放大和扭曲,最终变成了一片毫无意义的噪声。
他们引入的“混沌”,在赋予单个神经元“灵性”的同时,也彻底摧毁了整个网络的学习能力和稳定性。
他们亲手打开了潘多拉的魔盒,释放出了“不確定性”这个强大的精灵,却发现,自己根本无法驾驭它。
“我们陷入了一个新的困境。”徐涛看著屏幕上那条混乱的损失函数曲线,缓缓说道,“如何在保证『非確定性』带来的创造潜力的同时,又能维持整个系统必要的『秩序』和『稳定性』?『无序』与『有序』之间,我们该如何去寻找那个微妙的平衡点?”
这个全新的、更加深层次的难题,如同一座巨大的山脉,横亘在了“未来智能项目组”所有成员的面前。