The embodied brain: Bridging the brain, body, and behavior with biorealistic neuromechanical models
本文综述了将神经控制器与身体及环境模拟相结合的生物逼真神经力学模型的进展，展示了它们在推断不可测生物物理变量、生成可验证假设以及促进神经科学、机器人学和医疗保健领域跨学科协作方面的效用。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
想象一下，试图仅通过观察驾驶员在方向盘上的双手来理解汽车是如何行驶的。你可能会猜他们在转弯，但你会错过引擎的轰鸣声、轮胎与路面的摩擦力，以及汽车在转弯时重心的偏移。长期以来，研究动物行为的科学家们面临着类似的难题：他们可以观察动物的移动或记录某些大脑活动，但无法轻易看到体内那些看不见的力量，也无法理解大脑、肌肉与世界之间复杂的信号循环。这个被称为神经科学的领域，正试图解开大脑如何控制运动的谜团。其核心理念是，如果你不了解“硬件”（身体）和“环境”（它所生活的世界），你就无法理解“软件”（大脑）。如果你想知道为什么苍蝇会落在墙上，或者鱼儿为什么会躲避阴影，你必须观察作为一个整体运作的整个系统，而不仅仅是孤立的大脑。
本文介绍了一种解决该难题的强大新方法，即使用“生物逼真神经力学模型”。把这些模型想象成生活在电子游戏里的、极其精细的动物数字孪生体。但这些数字动物不仅仅是为了看起来酷炫，它们还拥有真实的物理特性：它们拥有像真实生物一样运作的骨骼、肌肉和神经。作者解释了科学家现在如何构建一个虚拟动物，给它喂入与真实动物相同的感官信息，并观察它在模拟世界中的移动。神奇之处在于，与真实的动物不同，你可以暂停这个数字孪生体，观察其内部的每一个神经元是如何放电的，甚至可以实时改变它的身体部位来观察会发生什么。
本文指出，这些模型之所以成为游戏规则的改变者，主要有两个原因。首先，它们充当了看不见数据的“时光机”。如果科学家记录了一只真实动物行走的过程，但无法测量其肌肉内部微小的力量，他们可以将这次行走过程在数字模型中“回放”。随后，计算机就会计算出为了实现该动作，那些隐藏的力量必然是多少，从而有效地填补了实验中的空白。其次，这些模型是一个可以进行“如果……会怎样”提问的安全游乐场。科学家可以测试大胆的想法，例如“如果这根特定的神经没有放电会怎样？”或者“如果动物的腿重了一倍会怎样？”，而无需伤害任何真实的生物。作者展示了通过将这些数字身体与人工智能结合，我们终于可以测试关于大脑如何控制运动的闭环理论——在这种闭环中，身体的反应会改变大脑接下来的动作。
然而，论文谨慎地指出，这些仍然是模拟程序。它们目前还不是完美的现实复制品；它们是帮助我们推测和测试的工具。作者认为，虽然我们还无法模拟身体中的每一个原子，但这些模型正在变得越来越擅长弥合“我们可以测量到的数据”与“我们需要知道的数据”之间的差距。他们提出，神经科学的未来在于将真实的实验与这些数字替代品相结合，利用计算机来引导实验室的下一步行动。这有点像拥有一位可以驾驶模拟器进行一百万次试飞，以帮助真正的飞行员应对风暴的副驾驶。通过将大脑、身体和环境视为一个相互连接的团队，这些模型为破解我们如何移动、感知以及与周围世界互动这一密码提供了一种全新的方式。
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