復(fù)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(dòng)物和大多數(shù)無(wú)脊椎動(dòng)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(lái)完成。要想揭示人類高等認(rèn)知過(guò)程和思維活動(dòng)的奧秘，需要首先了解大腦中高度復(fù)雜而有效的神經(jīng)信息傳輸和處理機(jī)制。計(jì)算神經(jīng)科學(xué)這一新興領(lǐng)域的誕生，為人們研究這一問題提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段。本論文通過(guò)構(gòu)建模型和計(jì)算機(jī)仿真，著重研究了突觸不可靠傳輸、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及噪聲對(duì)幾類典型復(fù)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(jié)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(luò)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(gòu)成的前饋神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。研究結(jié)果表明，突觸傳輸?shù)某晒β逝c興奮性突觸強(qiáng)度會(huì)極大地影響上述兩類神經(jīng)行為的傳輸，恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整這兩個(gè)突觸參數(shù)可以使網(wǎng)絡(luò)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(duì)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?，而恰?dāng)強(qiáng)度的噪聲可以增強(qiáng)放電率傳輸?shù)谋憩F(xiàn)。進(jìn)一步仿真證實(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的傳輸動(dòng)態(tài)并不簡(jiǎn)單地由神經(jīng)元在每一時(shí)刻所接收到的平均神經(jīng)遞質(zhì)的數(shù)量決定，它還會(huì)受到神經(jīng)遞質(zhì)釋放的隨機(jī)作用影響。第二，將上述結(jié)果與對(duì)應(yīng)的采用隨機(jī)耦合方式連接的前饋神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中的信息傳輸進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩種前饋神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中的信息傳輸動(dòng)態(tài)并不完全相同，在某些參數(shù)區(qū)域，甚至?xí)憩F(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(gòu)成的前

4、饋神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中的信息傳輸，證實(shí)抑制性在前饋神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸中同樣扮演著重要的角色，恰當(dāng)?shù)剡x取抑制性突觸和興奮性突觸的相對(duì)強(qiáng)度可以增強(qiáng)前饋神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸能力。
　　2.深入地研究了一個(gè)由來(lái)自大量不可靠突觸的隨機(jī)神經(jīng)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)的單Hodgkin-Huxley（簡(jiǎn)稱HH）神經(jīng)元系統(tǒng)中的隨機(jī)動(dòng)態(tài)問題?；趯?duì)總突觸電流進(jìn)行的平均場(chǎng)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(jī)制。仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)，HH神經(jīng)元能夠利用不可靠突觸豐富自

5、身的動(dòng)力學(xué)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(dǎo)系統(tǒng)中隨機(jī)共振現(xiàn)象的發(fā)生。進(jìn)一步的仿真驗(yàn)證了理論預(yù)測(cè)，即系統(tǒng)中 HH神經(jīng)元的隨機(jī)共振現(xiàn)象主要由三方面因素決定：興奮性突觸強(qiáng)度、尺度因子以及對(duì)于每條突觸來(lái)說(shuō)有效的平均神經(jīng)脈沖到達(dá)率。此外，還研究了外部弱周期驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率對(duì)系統(tǒng)隨機(jī)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(hào)探測(cè)能力。上述結(jié)果表明，不可靠的突觸傳輸在神經(jīng)系統(tǒng)信息

6、處理過(guò)程中可能具有一些功能性的作用。
　　3.研究了噪聲對(duì)前饋環(huán)（簡(jiǎn)稱 FFL）神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)基元中信息處理和動(dòng)力學(xué)的影響。我們發(fā)現(xiàn) FFL神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)基元能夠利用噪聲豐富自身的動(dòng)力學(xué)行為。在恰當(dāng)?shù)脑肼晱?qiáng)度下，隨機(jī)共振和相干共振現(xiàn)象存在于 FFL神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)基元中，意味著恰當(dāng)?shù)脑肼晱?qiáng)度能夠增強(qiáng) FFL神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)基元的信息傳輸和處理能力。另一方面，作為一個(gè)重要的控制參數(shù)，突觸耦合強(qiáng)度對(duì)該基元的隨機(jī)動(dòng)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(gòu)成的二維(簡(jiǎn)稱2-D)小世界神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中的自激不規(guī)則放電行為。研究結(jié)果表明，通過(guò)添加恰當(dāng)數(shù)目的長(zhǎng)程連接可以使2-D小世界神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(guò)對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)觀察到，由2-D小世界神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的自激不規(guī)則放電行為對(duì)系統(tǒng)的微小攝動(dòng)非常敏感，因此這可能為網(wǎng)絡(luò)提供了一種產(chǎn)生混