自然之韵：探究振荡系统中的同步现象

萤火虫、摆钟、我们的心肌以及调节我们日常内部活动的神经元：这些事物都倾向于同步，这是个体振荡器克服孤立状态并与周围其他振荡器相互关联，从而影响它们的动态，并从它们的波动中共同创造出模式的一种现象。从我们大脑中的电脉冲到被引力锁定的行星轨道，同步无处不在。

同步只是几个世纪以来让研究人员着迷的耦合振荡器的集体行为之一。从物理学到神经科学再到计算科学，不同领域都可以发现对耦合振荡器同步性的学术研究。尽管这种现象无处不在，但人们对这些振荡器的集体行为的完全理解仍然难以捉摸。

“确实缺乏能够解释这些振荡器如何运作的定量模型，”加州大学圣塔芭芭拉分校（UC Santa Barbara）机械工程学教授弗兰切斯科·布洛（Francesco Bullo）表示，他专门研究多智能体网络系统的建模、动力学和控制。“关于这些网络的行为，还有很多引人入胜的数学问题，”他补充道，“它们何时会同步？如果它们不同步，又会怎么做？”

“NEURAL-SYNC：从同步振荡到神经计算、通信和适应”，该项目将在五年内获得900万美元的联邦资助，一群研究人员将深入研究振荡系统的基本原理，将他们的学习和专业知识应用于认知神经科学，并建立优化平台，该平台能够利用包括节奏模式、同步演化、共振和行波在内的各种集体振荡行为。

“研究将沿着三个并行方向进行，从相对简单的动力学和静态优化问题，到更复杂的理论和问题。在每个方向中，研究人员都将进行模拟电路和数字电路的硬件演示，”布洛表示，并补充说该团队“很荣幸能获得这一竞争激烈的奖项”。

该项目的核心是振荡器，无论是天然的（如神经元或起搏细胞）还是人造的（如摆或电路），振荡器都会产生循环波动的信号。将它们以允许能量传递的方式相互连接，两个振荡器共同产生新的模式。系统的复杂性（及其建模和解决计算问题的能力）随着每个额外耦合振荡器的增加而增加。

“相互作用才是关键所在，”布洛表示。根据上下文，这些相互作用产生的模式可能会导致复杂行为或密集计算等结果；要理解这些模式的动态及其意义，需要一个定量的逐步模型。

“数学之美在于它是一种抽象语言，让你能够谈论各行各业中的系统，”布洛表示。

“这项多学科大学研究倡议（MURI）旨在专注于理解和构建‘天然’计算机，其动态能够解决人类所关心的问题，”加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）电气与计算机工程教授兼联合首席研究员科勒姆·恰姆萨里（Kerem Çamsari）表示。

他说，在摩尔定律的时代（该定律于20世纪70年代提出，预测微处理器的处理速度和功率大约每两年翻一番），由于微芯片上晶体管密度的增加，计算机科学家和工程师一直在专注于改进数字计算机。

然而，晶体管在达到其性能的物理极限之前，只能缩小到一定的尺寸和密度，这标志着这一时代即将结束。因此，计算领域已经开始考虑使用不同构建模块的多种新型计算机。

“其中一种方法是受自然启发的计算机，其构建模块可以相互作用，其自然进化（无论是否同步）都可以被引导来解决复杂的计算问题，”Çamsari说。“这与使用确定性和精确算法构建数字计算机的方式截然不同。”他补充说，这与量子计算有很多相似之处，量子计算也让自然来解决问题。

除了探索新兴且令人兴奋的自然计算领域外，研究人员还期望能够更深入地理解受大脑启发的神经同步性，以实现能源效率和强大的容错能力。与当今传统计算机持续消耗电力不同，神经形态计算架构旨在模仿大脑的并行处理和神经元的稀疏放电，这种放电只有在需要处理输入时才消耗能量。这些结果可能会彻底改变各种现实世界中的应用，这些应用需要不断分析大量数据，如供应链物流、车辆路线规划、医疗保健和电子商务。