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基于自适应时间步脉冲神经网络的高效图像分类

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自动化学报 2024年

作者：李千鹏贾顺程张铁林陈亮中国科学院自动化研究所中国科学院大学人工智能学院中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心

脉冲神经网络(Spiking neural network, SNN)由于具有相对人工神经网络(Artifcial neural network, ANN)更低的计算能耗而受到广泛关注.然而,现有SNN大多基于同步计算模式且往往采用多时间步的方式来模拟动态的信息整合过程,因此带来了... 详细信息

脉冲神经网络(Spiking neural network, SNN)由于具有相对人工神经网络(Artifcial neural network, ANN)更低的计算能耗而受到广泛关注.然而,现有SNN大多基于同步计算模式且往往采用多时间步的方式来模拟动态的信息整合过程,因此带来了推理延迟增大和计算能耗增高等问题,使其在边缘智能设备上的高效运行大打折扣.针对这个问题,本文提出一种自适应时间步脉冲神经网络(Adaptive timestep improved spiking neural network, ATSNN)算法.该算法可以根据不同样本特征自适应选择合适的推理时间步,并通过设计一个时间依赖的新型损失函数来约束不同计算时间步的重要性.与此同时,针对上述ATSNN特点设计一款低能耗脉冲神经网络加速器,支持ATSNN算法在VGG和ResNet等成熟框架上的应用部署.在CIFAR10、CIFAR100、CIFAR10-DVS等标准数据集上软硬件实验结果显示,与当前固定时间步的SNN算法相比, ATSNN算法的精度基本不下降,并且推理延迟减少36.7%～58.7%,计算复杂度减少33.0%～57.0%.在硬件模拟器上的运行结果显示, ATSNN的计算能耗仅为GPU RTX 3090Ti的4.43%～7.88%.显示出脑启发神经形态软硬件的巨大优势.

关键词：脉冲神经网络低功耗推理高效训练低延时

基于结构磁共振的深度学习模型评估肝硬化及肝性脑病患者的脑龄改变

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中华医学杂志 2024年第4期104卷 269-275页

作者：李芳菲张晓东卢子宁陈诚徐君海樊令仲程悦天津市第一中心医院放射科天津市影像医学研究所天津300192 天津市认知计算与应用重点实验室天津大学智能与计算学部天津300350 中国科学院自动化研究所脑网络组研究中心北京100190

目的基于深度学习及全脑T 1高分辨MRI建立脑龄预测模型,依此探讨肝硬化及肝性脑病(HE)患者大脑衰老趋势,并试图揭示肝硬化及HE加速大脑衰老的具体损伤区域。方法横断面研究。从来自全球的8个公开数据库中选取3609名健康个体的全脑T 1高... 详细信息

目的基于深度学习及全脑T 1高分辨MRI建立脑龄预测模型,依此探讨肝硬化及肝性脑病(HE)患者大脑衰老趋势,并试图揭示肝硬化及HE加速大脑衰老的具体损伤区域。方法横断面研究。从来自全球的8个公开数据库中选取3609名健康个体的全脑T 1高分辨MRI数据作为训练集搭建基于3D全卷积神经网络的脑龄预测模型。通过计算实际年龄和预测脑龄间平均绝对误差(MAE)和皮尔逊相关系数(r)、决定系数(R^(2))来评价模型的预测效果。再从公开数据库中的人类连接组计划中制作一个测试集(n=555)来测试模型的准确性。招募2013年12月至2020年5月于天津市第一中心医院就诊的136例肝硬化患者作为病例组(无HE肝硬化组79例和伴HE肝硬化组57例),同期向社会招募70名健康者作为健康对照组。计算所有受试者的预测脑龄与实际年龄差值(Brain-PAD)、数字连接试验-A(NCT-A)和数字-符号试验(DST)评分,评估健康对照组、无HE肝硬化组及伴HE肝硬化组3组间大脑衰老程度及认知功能,并采用网络遮挡敏感性分析来评估各脑区在脑龄预测中的重要性。结果训练集中该脑龄预测模型的实际年龄和预测脑龄间MAE=2.85,r=0.98,R^(2)=0.96;测试集中,MAE=4.45,r=0.96,R^(2)=0.92。在本地数据集中,健康对照组该模型的MAE=3.77,r=0.85,R^(2)=0.73。两组肝硬化患者NCT-A用时均长于健康对照组,而DST得分则均低于健康对照组,差异均有统计学意义(均P组Brain-PAD为(0.8±4.5)岁,无HE组Brain-PAD为(6.9±8.1)岁,伴HE组为(10.2±7.7)岁,3组间差异有统计学意义(P组间比较差异亦均有统计学意义(均P化患者视觉网络、躯体运动网络的预测重要性占比增加,伴HE组较无HE组占比进一步增加。结论肝硬化患者的认知功能减低,大脑加速衰老,这些改变在HE患者中更加明显。各脑区在预测脑年龄中的重要性差异为识别肝硬化和HE加速大脑衰老的特定损伤区域提供了新思路。

关键词：肝硬化肝性脑病磁共振成像脑龄深度学习

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基于生物网络的中医药学原理探索

科学通报 2024年第1期69卷 17-29页

作者：谌攀吴博文张鹏李梢清华大学自动化系清华大学北京市中医药交叉研究所北京信息科学与技术国家研究中心北京100084

中医药生物学基础不清、方剂作用机制不明、缺乏符合中医药整体特点的研究方法学体系是中医药现代化研究面临的关键瓶颈.随着信息学与系统生物学等新兴学科的发展,以生物网络为切入点开展中医药学与人工智能、大数据、信息学等前沿科学... 详细信息

中医药生物学基础不清、方剂作用机制不明、缺乏符合中医药整体特点的研究方法学体系是中医药现代化研究面临的关键瓶颈.随着信息学与系统生物学等新兴学科的发展,以生物网络为切入点开展中医药学与人工智能、大数据、信息学等前沿科学技术的交叉研究,成为探索中医药科学原理、促进中医药现代化的重要途径.基于生物网络的“网络靶标”理论有望突破宏微观内在关联解析的鸿沟,实现还原论和整体论的有机融合,架起传统中医与现代医学研究桥梁,成为探索中医药学原理的突破口之一.“寒、热”等中医药核心诊疗概念、治未病等中医特色理论的科学内涵阐明是解读中医药学原理的重要组成部分.本文基于李梢课题组的研究,综述了基于生物网络的中医药研究理论与技术方法,及其应用于“寒、热”“治未病”等中医特色理论的病证结合科学原理探索所取得的进展,以期为利用现代科学技术解读中医药学原理,促进中医药现代化提供参考.

关键词：中医药学原理生物网络寒热证候治未病网络靶标

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面向大规模数据的高效超图神经网络

中国科学：信息科学 2024年第4期54卷 853-871页

作者：吉书仪魏宇轩戴琼海高跃清华大学软件学院北京100084 清华大学自动化系北京100084 脑与认知智能北京实验室北京100084 北京信息科学与技术国家研究中心北京100084 清华大学脑与认知科学研究院北京100084

高阶关联广泛存在于现实世界中,如社交网络、生物网络、交通网络等,建模及优化高阶关联对于网络属性研究和演化趋势预测具有重要意义.超图是一种灵活的数据结构,能够自然地建模高阶关联.近年来,随着深度学习的发展,基于超图建模的超图... 详细信息

高阶关联广泛存在于现实世界中,如社交网络、生物网络、交通网络等,建模及优化高阶关联对于网络属性研究和演化趋势预测具有重要意义.超图是一种灵活的数据结构,能够自然地建模高阶关联.近年来,随着深度学习的发展,基于超图建模的超图神经网络被广泛应用于面向高阶关联的表示学习.然而,现有的超图神经网络均基于直推学习范式,虽然在小规模超图数据集上取得了不错的效果,但难以应用到大规模数据上,限制了其应用范围.本文首先分析了现有超图神经网络方法在大规模数据上应用的挑战,然后针对该问题提出了面向大规模数据的高效超图神经网络方法(efficient hypergraph neural network,EHGNN).针对现有方法空间、时间复杂度过高的问题,EHGNN分别设计了超图采样模块和基于单阶段超图卷积的计算加速模块,同时降低了超图神经网络的空间开销和时间开销,使得超图神经网络适用于大规模超图数据,显著增强了可扩展性.在4个真实超图数据集上的实验结果验证了EHGNN的有效性和高效性.

关键词：超图计算超图神经网络高阶关联大规模数据节点分类

基于同步辐射X射线荧光光谱与一维卷积神经网络的癌症筛查方法

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中国无机分析化学 2024年第1期14卷 104-111页

作者：魏超杰李超解宏鑫王欣李玉锋李玉文刘杨王伟中国农业大学工学院暨全国金属组学创新研究中心北京100083 安徽医科大学第二附属医院暨全国金属组学创新研究中心合肥230032 中国科学院高能物理研究所中国科学院-香港大学金属组学与健康和环境联合实验室中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室暨全国金属组学创新研究中心北京100049 安徽医科大学基础医学院暨全国金属组学创新研究中心合肥230032

癌症是全球范围内引起高发病率与高死亡率的疾病之一。现有癌症检测方法耗时、昂贵、专业人员依赖性强,开发一种无损、快速筛查方法非常重要。在前期工作基础上,发展了基于同步辐射X射线荧光光谱技术(SRXRF)与深度学习技术结合的一种非... 详细信息

癌症是全球范围内引起高发病率与高死亡率的疾病之一。现有癌症检测方法耗时、昂贵、专业人员依赖性强,开发一种无损、快速筛查方法非常重要。在前期工作基础上,发展了基于同步辐射X射线荧光光谱技术(SRXRF)与深度学习技术结合的一种非靶标金属组学方法筛查癌症患者。首先,分析控制组与癌症组共269份血清样本的SRXRF谱线,得到Ca、Mn、Zn、Ge、Br在两类人群中具有代表性差异,可以作为癌症筛查的标志物;其次,对于平均光谱进行归一化(Normalization)、迭代自适应加权惩罚最小二乘法(airPLS)、Savitzky-Golay平滑(SG)、标准正态变换(SNV)的预处理,并建立偏最小二乘判别分析(PLSDA)、K近邻法(KNN)、软独立建模分类法(SIMCA)的化学计量学模型,三种模型对癌症筛查的最优准确率分别为89.89%、93.26%、90.95%;最后,基于像素级光谱,搭建三种一维卷积神经网络(1DCNN)模型,三种模型准确率分别为93.56%、95.24%、93.27%,相对于化学计量学模型均有所提高,增加卷积层的数量有助于数据特征提取,模型准确率提高了1.68%。将三种模型卷积层提取获得的特征进行t-分布随机邻域嵌入算法(tSNE)降维可视化,得到1DCNN提取的特征具有显著可分性,SRXRF结合1DCNN模型开发的非靶标金属组学方法在实现癌症的快速筛查方面具有潜力。

关键词：癌症筛查血清 X射线荧光光谱一维卷积神经网络非靶标金属组学

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阿尔茨海默病治疗药物的突破

科学通报 2024年第17期69卷 2351-2359页

作者：高心怡张娟刘强中国科学技术大学生命科学与医学部合肥微尺度物质科学国家研究中心合肥230027 中国科学技术大学第一附属医院脑衰老与脑疾病研究中心合肥230027 中国科学技术大学衰老生物医学安徽省重点实验室合肥230027 中国科学技术大学中国科学技术大学第一附属医院神经内科合肥230027 中国科学技术大学安徽省生物医学与健康实验室合肥230027 中国科学技术大学生命科学与医学部前沿交叉科学与生物医学研究所合肥230027

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是发病率最高的神经退行性疾病,主要表现为记忆力下降,认知功能缺陷,目前尚无有效的治疗手段.随着人口老龄化加剧,AD发病率逐年上升,找到有效的AD药物刻不容缓.对AD发病机理的研究中,Aβ假说是普... 详细信息

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是发病率最高的神经退行性疾病,主要表现为记忆力下降,认知功能缺陷,目前尚无有效的治疗手段.随着人口老龄化加剧,AD发病率逐年上升,找到有效的AD药物刻不容缓.对AD发病机理的研究中,Aβ假说是普遍接受的致病机制:淀粉样蛋白(amyloid-β,Aβ)沉积产生神经毒性,导致神经元死亡.针对该致病机理设计的Aβ单抗药物的研发却很曲折,在2023年7月,美国食品药品监督管理局(*** and Drug Administration,FDA)批准上市抗Aβ的单克隆抗体Lecanemab,在经过18个月的药物注射后,与安慰剂组相比,治疗组患者大脑中Aβ沉积发生明显减少,减缓疾病的进程.与此同时,另一个Aβ单抗Donanemab药物也表现出相似的治疗效果.这不仅证明Aβ假说的正确性,为大量的AD患者带来治疗的希望和曙光.因此,这两种药物被Science评为2023十大科学突破之一.但是,这两种药物仅对AD早期的病人有较好的治疗效果,且药物的使用可能会带来脑出血(amyloid-related imaging abnormalities-hemorrhage,ARIA-H)、脑水肿(amyloid-related imaging abnormalitiesedema or effusions,ARIA-E)等副作用,这些副作用在APOEε4纯和患者出现的比例更高.因此,寻求更安全有效的治疗药物仍需更进一步研究.

关键词：阿尔茨海默病 Aβ假说单抗类药物 Lecanemab Donanemab

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疫苗佐剂“益气增免方”组方配伍理论探析

中国实验方剂学杂志 2024年第1期30卷 208-215页

作者：古欣怡佟琳唐仕欢李慧霍蕊莉中国中医科学院医学实验中心北京100700 中国中医科学院中医药信息研究所北京100700 中国中医科学院中药研究所北京100700 中国中医科学院中医药健康产业研究所北京100700 中国中医科学院北京100700

目的:为防控新型冠状病毒肺炎疫情提供中医药新的防范方案,探讨益气增免方作为一种疫苗佐剂的应用。该方剂由经典的补气剂四君子汤化裁而来,以药性配伍和功效剖析为基础,分析了益气增免方与疫苗的配伍效应及其影响机制。方法:该文章应... 详细信息

目的:为防控新型冠状病毒肺炎疫情提供中医药新的防范方案,探讨益气增免方作为一种疫苗佐剂的应用。该方剂由经典的补气剂四君子汤化裁而来,以药性配伍和功效剖析为基础,分析了益气增免方与疫苗的配伍效应及其影响机制。方法:该文章应用《古代经典名方数据库》对益气增免方方剂组成开展了相似度比对研究,并从药性、配伍、功效等不同方面剖析益气增免方的配伍理论基础,分析其与疫苗的配伍效应及其影响机制。结果:中药疫苗佐剂益气增免方作为一种中医药复方,聚焦于肺脾二脏,提升肺脾之气。肺为气之主,机体通过肺脏呼吸新鲜空气,并在肺内交换体内浊气,气在肺中交替循环,保证人体正常的呼吸;脾主运化,是气机升降之枢纽,而气正是代谢功能的具象。通过调节气机、增强气血功能,益气增免方可以增强免疫原性,为增强疫苗免疫效果提供理论依据。结论:益气增免方具有益气健脾,理气燥湿,增强免疫力的功效。通过对疫苗佐剂益气增免方中医理论的深度剖析,结合前期临床及基础实验研究结果,提示益气增免方可能具有增强疫苗接种后的免疫反应诱导和维持免疫记忆,而其是如何能对复杂的免疫调控网络进行有效调理的,还需进一步阐明。

关键词：疫苗佐剂益气增免方新型冠状病毒组方配伍

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转录组测序分析黄连总碱抗脑缺血的作用机制

中国组织工程研究 2024年

作者：田良良周瑞曹光昭张晶晶北京脑科学与类脑研究中心中国中医科学院中药研究所广东药科大学中医药研究院广州中医药大学中药学院

背景：黄连清热燥湿、泻火解毒，黄连及其成分对脑缺血有显著的保护作用，基于网络药理学和转录组测序探究黄连总碱抗脑缺血的作用机制。目的：在明确黄连总碱对脑缺血大鼠保护作用的基础上，基于网络药理学和转录组测序技术探讨黄连总... 详细信息

背景：黄连清热燥湿、泻火解毒，黄连及其成分对脑缺血有显著的保护作用，基于网络药理学和转录组测序探究黄连总碱抗脑缺血的作用机制。目的：在明确黄连总碱对脑缺血大鼠保护作用的基础上，基于网络药理学和转录组测序技术探讨黄连总碱干预脑缺血的作用机制。方法：将SD大鼠随机分为假手术组、缺血再灌注组、阳性药组和黄连总碱组，后3组采用改良线栓法制备大脑中动脉阻塞的缺血再灌注模型，假手术组不插入线栓，其余手术操作相同。通过TTC染色、Longa 5神经功能缺损评分、苏木精-伊红染色、尼氏染色评价黄连总碱对脑缺血再灌注模型大鼠的脑保护作用。对假手术组、缺血再灌注组、黄连总碱组大鼠脑组织进行转录组测序，通过差异表达基因筛选、基因本体论分析、京都基因与基因组百科全书分析以及转录组学与网络药理学关联分析，阐明黄连总碱干预脑缺血的作用特点，最后通过ELISA检测及免疫荧光染色对黄连总碱干预脑缺血的关键靶点进行验证。结果与结论：(1)黄连总碱可降低缺血再灌注模型大鼠Longa 5神经功能缺损评分及脑梗死面积，增加神经元、尼氏小体数目；(2)黄连总碱治疗后差异表达基因的基因本体论功能富集分析包括炎症反应、分裂原活化蛋白激酶级联的正调控等生物学过程；京都基因与基因组百科全书通路富集分析主要涉及白细胞介素17信号通路、神经活性配体-受体相互作用、环磷腺苷信号通路等通路；(3)转录组分析发现黄连总碱主要调控的基因有前列腺素内过氧化物合酶2、脑源性神经营养因子、瞬间受体电位A1等；(4)采用网络药理学分析发现，黄连总碱中9个成分可能通过87个成分靶点关联到过氧化物合酶2、脑源性神经营养因子及瞬间受体电位A1而发挥作用；(5) ELISA检测及免疫荧光染色结果进一步证实，黄连总碱调控脑缺血再灌注模型大鼠过氧化物合酶2、脑源性神经营养因子和瞬间受体电位A1的表达；(6)提示黄连总碱能明显改善脑缺血再灌注模型大鼠损伤，可能通过调控过氧化物合酶2、脑源性神经营养因子和瞬间受体电位A1而发挥作用。

关键词：黄连总碱脑缺血转录组测序过氧化物合酶2 脑源性神经营养因子瞬间受体电位A1

连续立体空间下传感器节点覆盖部署方法研究:以水质监测为例

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武汉大学学报（信息科学版） 2024年第2期49卷 271-279页

作者：王珂关慧珍张利利晁怡张源奔丁轩胡楚丽中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院湖北武汉430074 中国地质大学(武汉)国家地理信息系统工程技术研究中心湖北武汉430074 中国科学院空天信息创新研究院北京100094

感知覆盖和网络通信对传感器网络监测的准确性、全面性以及数据传输具有重要意义。针对连续立体空间中传感器节点部署问题,提出了一种基于三维有限控制集的节点部署方法。首先采用一定的离散化尺寸将连续立体空间离散化,提取出一组可以... 详细信息

感知覆盖和网络通信对传感器网络监测的准确性、全面性以及数据传输具有重要意义。针对连续立体空间中传感器节点部署问题,提出了一种基于三维有限控制集的节点部署方法。首先采用一定的离散化尺寸将连续立体空间离散化,提取出一组可以代表连续空间中无限侯选位置的三维有限控制集;然后基于三维有限控制集构建考虑通信的最大覆盖模型。水下空间是一种典型的连续立体空间,一些水质监测变量在水下空间存在垂直方向的差异性,以水质监测为例,进行水下节点部署仿真,对空间离散化造成的误差进行分析,对比该方法和其他方法的覆盖效果。结果表明,提出的立体空间中节点部署方法可以有效部署节点,利用较少的节点达到较高的覆盖度,并且在部署节点数目较少的时候,仍可以保证节点之间的通信。

关键词：连续立体空间有限控制集传感器网络覆盖部署水质监测