小世界生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隨機響應(yīng)和同步性能研究.pdf

1、神經(jīng)科學(xué)(或腦科學(xué))的迅速崛起是20世紀(jì)末30年代內(nèi)自然科學(xué)發(fā)展中的重大事件。作為神經(jīng)科學(xué)主體的神經(jīng)生物學(xué)已成為生命科學(xué)中發(fā)展最為迅速的前沿科學(xué)之一，神經(jīng)生物學(xué)是研究人和動物的神經(jīng)系統(tǒng)的科學(xué)。而神經(jīng)系統(tǒng)是生物體的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，神經(jīng)系統(tǒng)感受機體外界、內(nèi)部的信息變化，整合、加工并對感覺到的信息進行反應(yīng)。神經(jīng)系統(tǒng)的這一系列功能的實現(xiàn)，是通過神經(jīng)放電脈沖來實現(xiàn)的。20世紀(jì)50年代，Hodgkin和Huxley提出了著名的HH方程，成功地表述了神經(jīng)放

2、電的電化學(xué)機制。 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)是近年來國內(nèi)外研究的比較熱的一門學(xué)科，涉及面廣泛。自從兩項開創(chuàng)性的工作（即1998年Watts和Strogatz引入了小世界網(wǎng)絡(luò)模型，1999年Barabasi和Albert提出無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)模型）出現(xiàn)，便掀起了一股研究復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的熱潮。今天對它的研究正從數(shù)學(xué)和工程技術(shù)科學(xué)滲透到社會科學(xué)、物理學(xué)、以及醫(yī)學(xué)生物學(xué)等眾多不同的學(xué)科。 目前，由于神經(jīng)生理學(xué)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的研究結(jié)果表明：人腦真實的生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

3、是小世界網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所以本文將反映神經(jīng)元放電的HH模型作為節(jié)點構(gòu)造了小世界連接的人工生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后研究這個網(wǎng)絡(luò)的二次超諧波隨機共振、相干共振、和同步現(xiàn)象。 本文主要完成了如下工作： 1.（1）當(dāng)連接概率p、輸入信號的頻率、振幅A均不變時，隨著耦合強度c的增大，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出信噪比曲線下降，最佳二次超諧波信噪比也隨之下降。這說明隨著耦合強度的增大，神經(jīng)系統(tǒng)檢測微弱超諧波信號的能力下降。（2）當(dāng)噪聲強度D一定（p、c、也不

4、變）時，對于ＨＨ小世界神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并不是信號越強，信噪比越大，而是輸入信號的振幅A存在一個最優(yōu)值A(chǔ)O，此時網(wǎng)絡(luò)信噪比最大，說明了在最優(yōu)振幅AO處系統(tǒng)對信號的檢測能力最強。這些研究結(jié)果進一步豐富了隨機共振的理論和應(yīng)用。 2.（1）當(dāng)噪聲強度取某一有限值時，峰序列有序度可以達到最佳，即產(chǎn)生相干共振現(xiàn)象。（2）隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模N的變化，相干共振系數(shù)cv的極小值不是一個，而是多個。表明相干共振可發(fā)生在神經(jīng)元集群數(shù)目特定的不同規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中。這些

5、研究結(jié)果對認(rèn)識人腦的學(xué)習(xí)和記憶功能有一定的參考價值，且對于我們理解和解釋網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)中的有序、規(guī)則以及同步等動力學(xué)行為具有一定意義。 3.（1）小世界神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的同步能力隨加邊概率p增長而增加，這可能是網(wǎng)絡(luò)的耦合函數(shù)是散布型（diffusive）函數(shù)的原因。（2）噪聲會破壞神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的同步，使神經(jīng)元在空間上無序。這與前面研究的隨機共振、相干共振均有最優(yōu)噪聲強度D不一樣，同時也說明網(wǎng)絡(luò)一致不等同于網(wǎng)絡(luò)同步。（3）神經(jīng)元之間的耦合可幫助神