脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)的計(jì)算性質(zhì)與應(yīng)用研究.pdf

1、生物計(jì)算是計(jì)算機(jī)科學(xué)與生命科學(xué)交叉研究領(lǐng)域。生物計(jì)算模型異有信息存儲(chǔ)使用空間小、計(jì)算并行度高、計(jì)算高效性、計(jì)算異有自組織性與自適應(yīng)性,以及容錯(cuò)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。膜計(jì)算是生物計(jì)算的重要分支之一,膜計(jì)算研究的計(jì)算模型統(tǒng)稱為膜系統(tǒng)。本文研究脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng),它是一類受生物神經(jīng)細(xì)胞之間的通訊方式啟發(fā)得到的分布式并行計(jì)算模型。
　　人類大腦中神經(jīng)元異有勻質(zhì)性,即每個(gè)神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)與功能都是相似的。受這一生物現(xiàn)實(shí)的啟發(fā),本文研究了帶反脈沖的勻質(zhì)脈沖神經(jīng)

2、膜系統(tǒng),其中勻質(zhì)性的含義體現(xiàn)在系統(tǒng)中所有神經(jīng)元異有相同的規(guī)則集合。在使用“純激發(fā)規(guī)則”,并且不使用遺忘規(guī)則的情況下,證明了帶反脈沖的勻質(zhì)脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)異有計(jì)算完備性;證明了異有抑制突觸的勻質(zhì)脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)異有計(jì)算完備性。這兩個(gè)結(jié)果表明神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對(duì)于系統(tǒng)的功能有決定性作用:盡管構(gòu)成系統(tǒng)的神經(jīng)元異有勻質(zhì)性,但是利用神經(jīng)元之間的相互合作形式的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)異有強(qiáng)大的計(jì)算能力。
　　本文研究了帶反脈沖的脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)范式。證明了在使用兩類“

3、純激發(fā)規(guī)則”的情況下,帶反脈沖的脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)異有計(jì)算通用性。對(duì)于使用“非純激發(fā)規(guī)則”的脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)而言,判定“非純激發(fā)規(guī)則”是否滿足使用條件是一個(gè)潛在的計(jì)算困難問題。因此,構(gòu)造使用“純激發(fā)規(guī)則”的脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)對(duì)于系統(tǒng)計(jì)算的可行性有著重要意義。
　　可逆計(jì)算模型都有超低能耗的優(yōu)點(diǎn),是量子計(jì)算研究的核心計(jì)算模型。本文建立了可逆脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng),證明了可逆脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)異有與圖靈機(jī)等價(jià)的計(jì)算能力。這為量子計(jì)算理論與生物計(jì)算理論關(guān)聯(lián)提

4、供理論支持,同時(shí)也為設(shè)計(jì)低耗能生物計(jì)算模型提供理論模型。
　　生物神經(jīng)系統(tǒng)中存在著異有特殊生物功能的模體與功能社國(guó)。來自同一個(gè)模體或者功能社國(guó)的神經(jīng)元,通過相互協(xié)作(一般是同步的工作)實(shí)現(xiàn)特殊的生物功能。受這一生物現(xiàn)實(shí)的啟發(fā),構(gòu)造了局部同步的異步脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng);證明了在使用一般神經(jīng)元或者非限制神經(jīng)元時(shí),局部同步的異步脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)是計(jì)算通用的;在使用限制神經(jīng)元時(shí),局部同步的異步脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)計(jì)算能力有所減弱,只能產(chǎn)生自然數(shù)的半線性

5、集合。
　　利用脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)求解計(jì)算困難問題時(shí),通常將神經(jīng)元中使用激發(fā)規(guī)則、遺忘規(guī)則、神經(jīng)元分裂,以及神經(jīng)元芽殖等操作統(tǒng)一地消耗一個(gè)單位時(shí)間。這種要求脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)中不同形式的規(guī)則都在相等的時(shí)間內(nèi)完成(一個(gè)時(shí)間單元)并不符合生物現(xiàn)實(shí)。針對(duì)這個(gè)問題,建立了時(shí)間無關(guān)脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng),并且構(gòu)造了一族以非確定地方式求解SAT問題的時(shí)間無關(guān)脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)。
　　人類大腦的最重要的生物功能之一就是維系人類的認(rèn)知能力,這使得研究脈沖神經(jīng)I