視網(wǎng)膜仿真模型及其感知效能分析.pdf

1、生物學(xué)家Rosen說(shuō)過(guò):“從進(jìn)化的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō),生理系統(tǒng)是人類解決復(fù)雜問(wèn)題的最好的百科全書(shū)”。而人的眼睛,它嘆為觀止的完善功能,復(fù)雜精細(xì)的組織結(jié)構(gòu),精密協(xié)調(diào)的控制機(jī)制更是“極其完美和復(fù)雜的”(達(dá)爾文),可以說(shuō)是百科全書(shū)中最為絢麗的章節(jié)之一。我們的工作正是受啟發(fā)于眼睛中接收和處理信號(hào)最為重要的組織—視網(wǎng)膜。
　　很早之前,人們就已認(rèn)識(shí)到了視網(wǎng)膜的復(fù)雜,但具體復(fù)雜到什么程度,視網(wǎng)膜可分為哪些層,每層有哪些種細(xì)胞,每種細(xì)胞的數(shù)量和分布如何,

2、則是隨著近幾年來(lái)解剖學(xué),電生理學(xué),細(xì)胞形態(tài)學(xué)等學(xué)科的發(fā)展而逐漸清晰起來(lái)的。基于這些數(shù)據(jù),我們建立了一個(gè)高度逼真的視網(wǎng)膜計(jì)算模型,此模型不僅模擬了視網(wǎng)膜的多種細(xì)胞類型和分布,還擬合了視網(wǎng)膜復(fù)雜的層次連接和結(jié)構(gòu),既忠于生理上的結(jié)構(gòu)和處理過(guò)程又在整體上展現(xiàn)了視網(wǎng)膜的多個(gè)信息處理通路。在模型基礎(chǔ)上可以設(shè)計(jì)很多實(shí)驗(yàn),比如視網(wǎng)膜物體檢測(cè)概率實(shí)驗(yàn),視網(wǎng)膜物體表征效率實(shí)驗(yàn),視網(wǎng)膜在多條件限定下(如準(zhǔn)確性,實(shí)時(shí)性,能耗,計(jì)算復(fù)雜度等)的均衡性分析實(shí)驗(yàn)等等

3、。
　　有了這個(gè)高度逼真的視網(wǎng)膜計(jì)算模型,可以為當(dāng)前很多棘手的問(wèn)題提供解決的方向。如人工視網(wǎng)膜芯片的設(shè)計(jì)。人工視網(wǎng)膜因?yàn)槌叽缬邢?所以硬件復(fù)雜度不能太高;因?yàn)榘l(fā)熱問(wèn)題,所以能耗不能太大;因?yàn)橐獫M足實(shí)時(shí)的反應(yīng)要求,所以信號(hào)處理需要快速且準(zhǔn)確。這些約束條件相互沖突,很難平衡。但這些工作正是視網(wǎng)膜平時(shí)所做的事情。研究視網(wǎng)膜在多條件下的平衡性質(zhì),對(duì)人工視網(wǎng)膜的設(shè)計(jì)具有巨大的指導(dǎo)意義。此模型也可用于實(shí)時(shí)的場(chǎng)景表征和圖像處理。視網(wǎng)膜將信號(hào)分為

4、顏色,亮度,運(yùn)動(dòng)等不同的通路形成內(nèi)部表征再進(jìn)行進(jìn)一步處理,這在提高表征的效率的同時(shí)大幅降低了計(jì)算的復(fù)雜度,為實(shí)時(shí)圖像的表征和處理提供了一個(gè)新的方向。同時(shí),由于模型高度逼真于真實(shí)的視網(wǎng)膜,也可以進(jìn)行生理實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證生理上的假設(shè)和推測(cè),為生理學(xué),神經(jīng)科學(xué)提出新的問(wèn)題和方向。如驗(yàn)證信息處理的通路,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的局部回路,甚至可以完成一些在活體上無(wú)法完成的實(shí)驗(yàn)等。
　　目前國(guó)內(nèi)外已有一些模擬視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)與功能的模型,按其最終的目的和面向的領(lǐng)域來(lái)看

5、,大致分三類。第一類:面向神經(jīng)科學(xué)。第二類:面向計(jì)算機(jī)科學(xué)應(yīng)用。第三類:面向電子工程硬件實(shí)現(xiàn)。這些模型或局限于部分的神經(jīng)回路和信息通路而沒(méi)有展現(xiàn)視網(wǎng)膜的整體特性,或僅借鑒視網(wǎng)膜模型的結(jié)構(gòu)框架和部分特性而跳過(guò)了大量的生理細(xì)節(jié)?？傮w上來(lái)說(shuō),當(dāng)前已有的視網(wǎng)膜模型與真實(shí)生理情況相比,不僅在細(xì)胞的類型和數(shù)量上還有所欠缺,在視網(wǎng)膜的功能和結(jié)構(gòu)模擬上的工作也不充分,更重要的是他們的信息處理過(guò)程和真實(shí)的信息處理過(guò)程還有很大差距。在目前的情況下,利用已有