復雜神經(jīng)系統(tǒng)中信息傳輸及信息處理的若干問題研究.pdf

1、大腦是所有脊椎動物和大多數(shù)無脊椎動物的神經(jīng)中樞。神經(jīng)信息在大腦中的傳輸、整合和加工主要依靠大腦中具有一定功能的神經(jīng)元集群來完成。要想揭示人類高等認知過程和思維活動的奧秘，需要首先了解大腦中高度復雜而有效的神經(jīng)信息傳輸和處理機制。計算神經(jīng)科學這一新興領域的誕生，為人們研究這一問題提供了強有力的技術手段。本論文通過構建模型和計算機仿真，著重研究了突觸不可靠傳輸、網(wǎng)絡拓撲結構以及噪聲對幾類典型復雜神經(jīng)系統(tǒng)中信息傳輸和信息處理的影響。主要工作和

2、所得結論可以概括如下：
　　1.系統(tǒng)地研究了以全局耦合方式連接的前饋神經(jīng)元網(wǎng)絡中的同步放電傳輸和放電率傳輸問題，其中著重考察不可靠的突觸連接在兩種神經(jīng)行為傳輸模式中所起到的作用。首先，研究了一類由純興奮性神經(jīng)元構成的前饋神經(jīng)元網(wǎng)絡。研究結果表明，突觸傳輸?shù)某晒β逝c興奮性突觸強度會極大地影響上述兩類神經(jīng)行為的傳輸，恰當?shù)卣{(diào)整這兩個突觸參數(shù)可以使網(wǎng)絡具有穩(wěn)定傳輸這兩類神經(jīng)行為的能力。此外，我們發(fā)現(xiàn)噪聲對兩類神經(jīng)行為的傳輸具有不同的影響

3、。加性高斯白噪聲趨向于降低同步放電傳輸?shù)木龋‘攺姸鹊脑肼暱梢栽鰪姺烹娐蕚鬏數(shù)谋憩F(xiàn)。進一步仿真證實，網(wǎng)絡中的傳輸動態(tài)并不簡單地由神經(jīng)元在每一時刻所接收到的平均神經(jīng)遞質(zhì)的數(shù)量決定，它還會受到神經(jīng)遞質(zhì)釋放的隨機作用影響。第二，將上述結果與對應的采用隨機耦合方式連接的前饋神經(jīng)元網(wǎng)絡中的信息傳輸進行對比，發(fā)現(xiàn)兩種前饋神經(jīng)元網(wǎng)絡中的信息傳輸動態(tài)并不完全相同，在某些參數(shù)區(qū)域，甚至會表現(xiàn)出較大的差別。最后，研究了由興奮性和抑制性神經(jīng)元共同構成的前

4、饋神經(jīng)元網(wǎng)絡中的信息傳輸，證實抑制性在前饋神經(jīng)元網(wǎng)絡的信息傳輸中同樣扮演著重要的角色，恰當?shù)剡x取抑制性突觸和興奮性突觸的相對強度可以增強前饋神經(jīng)元網(wǎng)絡的信息傳輸能力。
　　2.深入地研究了一個由來自大量不可靠突觸的隨機神經(jīng)脈沖信號驅(qū)動的單Hodgkin-Huxley（簡稱HH）神經(jīng)元系統(tǒng)中的隨機動態(tài)問題。基于對總突觸電流進行的平均場分析，提出一種源自不可靠突觸的內(nèi)在神經(jīng)噪聲調(diào)節(jié)機制。仿真實驗證實，HH神經(jīng)元能夠利用不可靠突觸豐富自

5、身的動力學行為。在一定的條件下，發(fā)現(xiàn)不可靠的突觸傳輸可以誘導系統(tǒng)中隨機共振現(xiàn)象的發(fā)生。進一步的仿真驗證了理論預測，即系統(tǒng)中 HH神經(jīng)元的隨機共振現(xiàn)象主要由三方面因素決定：興奮性突觸強度、尺度因子以及對于每條突觸來說有效的平均神經(jīng)脈沖到達率。此外，還研究了外部弱周期驅(qū)動信號的頻率對系統(tǒng)隨機共振表現(xiàn)的影響，發(fā)現(xiàn)合理選擇突觸可靠性參數(shù)可以使 HH神經(jīng)元在較寬的頻率范圍內(nèi)獲得較好的弱周期信號探測能力。上述結果表明，不可靠的突觸傳輸在神經(jīng)系統(tǒng)信息

6、處理過程中可能具有一些功能性的作用。
　　3.研究了噪聲對前饋環(huán)（簡稱 FFL）神經(jīng)元網(wǎng)絡基元中信息處理和動力學的影響。我們發(fā)現(xiàn) FFL神經(jīng)元網(wǎng)絡基元能夠利用噪聲豐富自身的動力學行為。在恰當?shù)脑肼晱姸认拢S機共振和相干共振現(xiàn)象存在于 FFL神經(jīng)元網(wǎng)絡基元中，意味著恰當?shù)脑肼晱姸饶軌蛟鰪?FFL神經(jīng)元網(wǎng)絡基元的信息傳輸和處理能力。另一方面，作為一個重要的控制參數(shù)，突觸耦合強度對該基元的隨機動態(tài)同樣具有很大的影響。
　　4.系統(tǒng)

7、地考察了由興奮性和抑制性神經(jīng)元共同構成的二維(簡稱2-D)小世界神經(jīng)元網(wǎng)絡中的自激不規(guī)則放電行為。研究結果表明，通過添加恰當數(shù)目的長程連接可以使2-D小世界神經(jīng)元網(wǎng)絡具有維持自激不規(guī)則放電行為的能力。在只改變加邊概率而保持其它參數(shù)條件取值不變的條件下，網(wǎng)絡中的神經(jīng)元能夠產(chǎn)生不同程度的不規(guī)則放電狀態(tài)。另一方面，通過對比仿真實驗觀察到，由2-D小世界神經(jīng)元網(wǎng)絡產(chǎn)生的自激不規(guī)則放電行為對系統(tǒng)的微小攝動非常敏感，因此這可能為網(wǎng)絡提供了一種產(chǎn)生混