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韩国科学家用机器人体外操控了小鼠脑神经!不到1分钟实现通信连接

这是一个受磁场驱动的微型机器人,动图中它正朝着目标蹦跶。

恒定磁场下,它还能给大家表演一个转圈圈。

七田真有关圆周率的课程介绍。陈鹏摄

2、奇葩课程教3岁孩子背诵圆周率

实际上,要想实现神经网络主动连接,一个关键就是将培养在机器人上的神经元精确地传递和定位到指定位置。虽然附着在机器人上的细胞增加了额外重量,可能会影响机器人的前进,但科学家们借助磁场实现了精确控制——精度在几十 μm 级别(误差范围约 10%)。

方庄位于北京东南二环附近,人口稠密。手机地图显示,方庄方圆一公里之内,早教机构多达21家。儿童美术、日托早教、全脑潜能开发、双语阅读、舞蹈培训,各式各样的早教类型,都可以在这里找到。

科学家们利用免疫荧光图像展示了两组的神经元凸起数量变化。

数字背后更有生机的是一个个闹哄哄的早教班:老师们在教英语、讲故事、做运动;孩子们活蹦乱跳或者打瞌睡,表情似懂非懂;而孩子屁股后面紧跟的是家长,他们配合老师完成教学任务,评判教学效果和性价比。

C 部分展示了利用基于双光子聚合(TPP)的三维激光光刻技术和沉积镍(Ni,用于磁性)层、二氧化钛(TiO2,用于生物相容性)层制备机器人的过程。

不过,蓝英也坦诚地对记者说:“早教因人而异,如果家里大人和孩子交流得少,没有时间陪伴,或者不懂基本的早教方法,那还是必须得报班。”

那么,体外神经网络要如何实现呢?

就未来的发展方向而言,研究团队表示:

至此,利用微型机器人培养神经元、形成物理和功能性神经网络连接成为可能。

蓝英发现,早教班老师反复提及该年龄段“应该掌握的某些技能”,“一听到你们家孩子做不到,就拿报了班的孩子跟你比,有一点贩卖焦虑的感觉”,加完微信后,还三天两头邀请来“体验”。

对于早教机构自行培训教师的行为,似乎难得信任。刘霖芳透露,一些早教机构的培训工作流于形式,只要参加培训就能通过考试,并获得所谓资格证书。她建议,逐步完善早教教师的准入制度,对早教教师在学历和专业方面提出更加明确的要求。

早教机构的师资水平直接决定了早教的水准。

早教班到底在教什么?有什么效果?为何家长趋之若鹜?带着这些疑问,记者前往北京方庄多个早教机构进行探访。

“3岁的小孩能够理解圆周率吗?”记者问。“这只是训练方法,单纯为了提高孩子的记忆力。”该早教班老师刘易试图打消记者的疑虑,“记忆力好,以后上小学背古诗、背乘法口诀表,不成问题。”

但是,上面这款机器人可不普通,它带有神经元,能通过体外方式在神经簇之间形成并操纵神经网络。因此,为大脑功能和相关疾病的研究实现了新突破。

龚华祎把甜甜的视频、照片晒到朋友圈里。“运动能力强”“体质好”“性格开朗”“看上去不像是只有三岁多的小孩”,很多朋友留下的评价,让龚华祎把这一切都归功于早教班。在龚华祎的推荐下,周围越来越多的人开始带孩子上早教。

也就是说,与对照组相比,利用机器人可以成功培养出神经元,在对存活率没有显著影响的情况下神经突也得以增长。

这款机器人由韩国脑研究所和韩国大邱庆北科学技术院(DGIST)下属的机器人工程系、DGIST-ETH 微型机器人研究中心、脑与认知科学系共同研发。

3、早教机构教师专业化程度较低

雷锋网原创文章,。详情见转载须知。

下图中,白色虚线框表示神经网络,红色虚线框表示机器人的目标点。

记者调查发现,很多早教机构为了吸引家长的目光,常对自己的早教品牌进行夸大宣传,如标榜自己是先行者、天才教育等。

原因在于,这种方法可以在尽可能降低外部影响的前提下,在大脑目标位置进行精确的、有选择性的神经连接,从而测量神经活动、确定神经元的交流方式。当然,它也可以帮助理解受伤或功能出现障碍的神经元轴突再增长。

可能有些人会觉得,磁驱动微型机器人已经并不罕见了,甚至有点儿平平无奇。

因此,他们设计了一种载有神经元的 3D 磁驱动微型机器人,可通过外部磁场将神经网络精确传送到两个神经簇之间的间隙处,再选择性地连接神经网络。同时,细胞外动作电位通过微型机器人载有的神经元从一个神经簇传送到另一个神经簇。

2020年恰逢第七次全国人口普查的开展之年,同时也是住户调查样本轮换之年。为此,本届开放日以现场讲解、视频展示等方式,全方位介绍了七人普和住户调查工作。开放日当天正值七人普标准时点倒计时第100天,多位一线普查员也来到了直播现场。“我主要还是希望我们入户的时候,您可以给我们打开门,可以如实详细地提供您的信息资料,可以帮助我们一起完成好咱们的人口普查工作。”一线普查员代表宣誓承诺,在普查工作中,认真履职尽责,确保数据安全,圆满完成普查任务。

上图 B 主要展示了微型机器人的具体尺寸——高 27μm、宽 5μm、深 2μm。

但韩国研究团队表示:

随着记者继续探访,早教班里的“虚火”逐渐清晰起来。

在神经元培养的基础上,这款微型机器人打造了神经网络,而这一过程是通过在神经簇阵列上对机器人施加磁场影响实现的。

2018年7月,教育部发布《开展幼儿园“小学化”专项治理工作的通知》明确提出,社会培训机构也不得以学前班、幼小衔接等名义提前教授小学内容,各地要结合校外培训机构治理予以规范。

科学家们的设计是,通过 8 个电磁线圈半球的线性叠加及其顶部的一个电荷耦合装置( CCD)相机产生强度为 20 mT 和 1.2 Hz 的磁场。

上图 A 展示的是两个神经簇之间的神经网络主动构建,这一过程中主要依赖的是内置于机器人的一片高密度多级阵列芯片,这种芯片可以测量到轴突信号传输。

微型机器人具有在 2 周内运输、培养神经元以及以所需方向引导、连接神经突生长的潜力。

目前,国内大品牌的早教机构多为国外引进。美式早教品牌居多,如美吉姆、金宝贝,但也不乏引自日本的早教品牌,如七田真。美式早教重在培养大动作发育和早期艺术音乐启蒙,日式早教则追求“全脑开发”。

在发现记者对英语授课感兴趣后,邓笑说,该机构老师均是从正规大学教育类专业毕业,入职后在机构内接受了三个月以上的统一培训,师资优质,发音准确,可以和孩子们交流得很好。

但是,该机构销售人员邓笑带领记者参观教室。据他介绍,教室以艺术、运动等内容划分,“课堂上60%时间,老师会用英语和孩子交流”。在中英双语“双向沉浸式”互动教学中,孩子可以建立双母语思维。“学员里也有混血宝宝,可以三种语言自由切换”。

下午4时许,纽约国际儿童俱乐部门口坐满了家长和孩子,一些孩子准备上课。由于早教老师正在进行课前准备,没能接受采访。

招生宣传手册显示,七田真在北京有8所连锁店,在西安、重庆、成都、淄博、石家庄、沈阳等地均设有中心。在中国大陆开业10年来,服务超过2万名会员。

为何构建「体外神经网络」?

如果身处其中,你会发现,早教班的火热程度或许超出你的想象。

说熟悉,是因为早在3个月大的时候,爸爸龚华祎就把她送了过来。感统训练、大运动提升、思维开发,早教班的课程按部就班。128节课的课包,还剩不到40节。

本次活动由北京市统计局、国家统计局北京调查总队主办,活动以“统计@你 共创美好生活”为主题。不同以往,此次开放日首次尝试线上直播,以云参观的方式带领广大网友走进统计部门。

见面没多久,早教班老师的问题,就让蓝英“无所适从”。“能区分颜色吗?”“会拼图了吗?”“能够将数字对应实体物品吗?”得到否定回答之后,老师说:“我们班里这个阶段的孩子,这些内容都会。”

我们设计的机器人具有可重现、可选择和精确连接的优势。

要研究神经研究,科学家们提出了一种通过化学和电生理方法进行脑功能分析的「体外神经网络」研究方法。

实验组(机器人):细胞高度约 40μm; 对照组(玻璃基质):只观察到少量细胞。神经突厚度约为 2-5μm,神经元胞体厚度约为 10-20μm。

七田真幼小衔接课宣传广告。陈鹏摄

直到孩子快上幼儿园了,家住上海的蓝英才在周围朋友的“催促下”,去考察了蒙特梭利、金宝贝、美吉姆等早教机构。

希望我们的研究成果为先进的人工神经网络可控体外模型创造了新突破,我们也正在利用各种微型机器人建立复杂多样的连接,希望增进人们对神经网络的理解。

此前的研究主要集中在制造各种外形的微型机器人,并在外部电源下将细胞装载到微机器人上。据我们所知,还没有科学团队报道过利用微型机器人调节神经突排列和神经连接的研究。

“事实上,目前大部分师范院校学前教育研究只针对3至6岁幼儿阶段,而0至3岁的早教研究才刚刚起步。”长春师范大学学前教育发展研究中心刘霖芳介绍。2012年,刘霖芳曾带领团队对早教机构进行调研。当时得出来的结论是,早教机构教师的专业化程度较低。“八年后,问题依然如故”。

11月21日,长春大雪,三岁半的甜甜在熟悉的早教班金宝贝里度过。这节课是拼图课,她只花了5分钟就拼好了一艘大船。

实验组是:机器人凹槽上小鼠颅脑神经细胞的神经突增长; 对照组是:玻璃基质(也就是平面)上小鼠颅脑神经细胞的神经突增长。

在采访中,家长选择早教的原因众多。哪怕是没有给孩子报早教班的家长,也大多在“报不报”的问题上犹豫过。

七田真方庄店位于方庄地铁站以南约400米,和其他日式早教一样,以“脑力开发”为特色,强调培养注意力、记忆力、思维力等,课程涵盖亲子课、基础能力课、英文启蒙课等,适合年龄从3个月到9岁半。

说起为何选择早教?龚华祎说,当初从欧洲回来的朋友告诉他,国外的早教十分普遍,其作用于儿童智力开发的结论“已被证实”。在对比考察后,他选择了金宝贝。

当前,已有研究成果表明,由磁驱动的球形、螺旋状和毛刺状多孔球形微型机器人可在体内或体外实现靶向细胞传递。

机器人设计好了,下一步就要开始尝试培养神经元了。

一个工作日的上午,记者探访早教机构七田真国际教育北京亦庄店。上午10时40分,第二节课即将开始。电梯挤满了孩子,他们大多为两岁左右的幼儿,被爷爷奶奶、姥姥姥爷带着。

进店后,记者看到,除了公共区域,空间被分隔为一个个约10平方米大的小教室,和美式早教大班额不同,每个七田真的课程小班不超过6名学员。

翻看七田真课程体系介绍手册后,记者惊讶地发现,圆周率作为主要内容被安排在3岁阶段的专项训练课程里。这节课的教学目标是,“记忆200位圆周率,提升记忆容量和专注力”。

据介绍,七人普的标准时点是2020年11月1日零时,将全面盘点我国人口发展状况。目前,全市各级普查机构组建、普查市级试点等工作已顺利完成,正在有序推进普查员选聘和培训、普查区域划分及绘图、户口整顿等准备工作。

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为什么要在体外研究甚至是操纵神经网络?

“不敢输在起跑线”的家长发现,“起跑线”在不断提前。

被认为只有少数人才掌握的技能,在七田真里要教给每一个孩子。七田真的一份内部刊物显示,在2017年成果发布会上,4岁多的琦琦“流畅地背诵到圆周率400位”。

随后,记者又前往纽约国际儿童俱乐部方庄店,该机构主打双语教学。在全国开设130家中心,宣称代表儿童早期教育行业的“高标准”。

1、早教班急于推销,贩卖焦虑

不仅如此,科学家们还经过测定显示:微型机器人的运作并不会影响细胞活力。

为什么会有这么多人选择这里?刘易反复强调,家长们看中的正是七田真“以效果为导向”,“我们与其他早教班不一样,效果可以看得到。上过和没上过有明显区别”。

据介绍,七田真亦庄店在读学员约600人。每个孩子需要一名家长陪同上课,以至于早教班里人满为患。记者到访时,正值两岁阶段班级孩子“毕业”,孩子们穿着“博士帽”在大厅里拍照留念。

2016年11月25日,北京市修订《学前教育条例》,第十六条修改为:“在学前教育机构中从事教育的人员,必须具有相关专业知识,并获得教育行政部门颁发的学前教育任职资格证书。”

如上图所示,神经元在 10 秒内到达了目标位置,并在 1 分钟内精确对齐了连接网络所需的神经簇。

为了形成并控制细胞神经突生长的模式,各国科学家们都曾尝试过了化学、物理、机械方式,而韩国脑研究所和韩国大邱庆北科学技术院(DGIST)科学家们的思路则是设计一款机器人。

来到三楼,两个活动区域被家长占满,十几个孩子正在地上玩玩具,等着上课。一间正在上课的教室里,老师正给一岁半的孩子进行“闪卡练习”。家长则一对一坐在身后,其中有两个孩子不停往后看,甚至离开了座位。

考察完毕的蓝英,对这些早教班给出了“不信任”的评价:“噱头多,急于推销”。她宁愿“自己多花时间教,应该也不会比早教班差”。

一直以来,脑科学研究者都在尝试,希望更加深入地理解大脑的学习、记忆、运动、感觉处理和决策等功能,而大脑中这些功能的实现都离不开神经连接。

D 部分则是机器人的扫描电子显微镜图像,可见这种机器人是微米级大小的。

可以看到,机器人顶部有一个凹槽,侧面还有翻转指示。

记者在教室门口看到,这里张贴着幼小衔接课的招生宣传。虽然只针对5岁半以上孩子,但是内容囊括拼音、汉字、时政热点,聚集新课标各大考点,全面覆盖运算能力。

最先吸引记者的是该机构的一则屏幕广告——“这么‘逆天’的孩子,你见过吗?”然后是“天才”案例的次第呈现:壹壹,1岁10个月,运用连锁记忆法,快速翻出8张对应卡片;浩浩,2岁10个月,数字可以数到80;朱朱,3岁1个月,准确完成中国地图拼图;贝贝,5岁半,一个月记忆圆周率100位。

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