基于時間編碼的聽覺神經(jīng)元反應特性的模型研究.pdf

1、生物神經(jīng)網(wǎng)絡是具有特殊功能的復雜系統(tǒng),能夠產(chǎn)生和傳遞信息,它是生物醫(yī)學領域研究的重要內容。由于生物神經(jīng)網(wǎng)絡是具有反饋的非線性系統(tǒng),為分析生物神經(jīng)網(wǎng)絡,人們只能在一定的控制條件下獲得相應的實驗數(shù)據(jù)。隨著大量的實驗數(shù)據(jù)的不斷積累,神經(jīng)生物學家認識到僅由詳細的神經(jīng)系統(tǒng)生理學和解剖學的數(shù)據(jù)難以理解和推斷生物神經(jīng)網(wǎng)絡的生化組成、生理結構和作用機理。同時,由于生物神經(jīng)網(wǎng)絡的復雜性,實驗條件和手段的局限,實驗數(shù)據(jù)總是有限且不完整。因此,必須將實驗數(shù)據(jù)

2、與數(shù)學模型有機結合,信息處理技術與神經(jīng)系統(tǒng)學有機結合,根據(jù)有限的實驗數(shù)據(jù)建立相應的神經(jīng)網(wǎng)絡的等效電路和數(shù)學模型,才可能由有限的實驗數(shù)據(jù)證實已知,推斷神經(jīng)網(wǎng)絡的未知,揭示生物神經(jīng)網(wǎng)絡的內部作用機理,同時可以指導實驗,避免重復無效工作。建立一種完全模仿生物神經(jīng)元的信息處理機制的人工神經(jīng)元模型,才能更好的揭示生物神經(jīng)網(wǎng)絡的內部作用機理,進而實現(xiàn)真正意義上的人工神經(jīng)網(wǎng)絡。本課題是基于聽覺信息在聽覺通路上的傳輸、編碼、整合等規(guī)律,研究聽覺神經(jīng)元的

3、基本特性及其之間的相互作用,從而推廣到普通神經(jīng)元的特性研究上。
　　 本課題對單神經(jīng)元的基本模型進行了深入的研究,在模型的基礎上探討了耳蝸核神經(jīng)元的反應特性,并構建了簡單的多神經(jīng)元模型來研究群編碼理論。同時探討了多個輸入與神經(jīng)元反應的關系,研究了不同延時突觸的整合作用。
　　 耳蝸核內的信息處理,是中樞對聽覺信息處理的最先一環(huán)。研究耳蝸核神經(jīng)元的反應特性對于闡明聲音信號在聽覺系統(tǒng)的作用機制非常重要,但是目前對其神經(jīng)元反應

4、特性的研究還不統(tǒng)一。根據(jù)神經(jīng)元對短純音刺激反應的時間特性來分類,耳蝸核神經(jīng)元可以分為多種反應類型。這些神經(jīng)元的反應類型不只是由神經(jīng)元本身性質決定的,也被發(fā)現(xiàn)具有刺激依賴性。那么,這些所謂的來自于神經(jīng)元反應類型的反應特性就不僅描述了神經(jīng)元的特性,還表達了聲音刺激信號的特征。目前還不清楚這些神經(jīng)元反應特性是由神經(jīng)元本身造成的還是聲音刺激信號改變的。所有的耳蝸核神經(jīng)元均接受來自興奮性與抑制性突觸的興奮與抑制性輸入。因此,神經(jīng)元的反應類型被認為

5、是由興奮性與抑制性突觸以不同的權重疊加而造成的。許多研究暗示抑制性輸入僅僅對神經(jīng)元的發(fā)放數(shù)起作用,而對神經(jīng)元的反應類型不起作用。因此,在耳蝸核中興奮性輸入對神經(jīng)元反應類型起主導作用。
　　 神經(jīng)元的發(fā)放數(shù)取決于細胞膜特性和神經(jīng)元的輸入。聲音信號和藥物施加均會影響控制神經(jīng)遞質釋放的興奮性輸入,也會改變受離子通道影響的神經(jīng)元膜特性。為了更好地研究神經(jīng)元反應類型及其特性的機制,興奮性輸入和神經(jīng)元的膜特性應該分別討論。但生理和藥理的研究

6、無法將這兩部分分開,如果用模型就容易做到。因此我們用模型的方法來研究神經(jīng)元興奮性輸入和膜特性對其反應類型的作用規(guī)律?；贛atlab7.0平臺,在經(jīng)典的積分-放電模型基礎上構建時間編碼模型。模型通過改變與神經(jīng)元特性有關的參數(shù)可以很好的模擬耳蝸核中primary—like型、chopper型、onset型、buildup型和pauser型神經(jīng)元。模型仿真結果與文獻十分吻合,為后續(xù)研究聽覺系統(tǒng)的作用機制打下了基礎。同時模擬結果為耳蝸核神經(jīng)元

7、的分類提供了一個新的方法,也為動作電位延時是較佳的編碼方式提供了有利的證據(jù)。
　　 模型用一個新的角度解釋了耳蝸核神經(jīng)元的反應特性。CN中的這幾種神經(jīng)元本質上是一樣的,遵循同樣的編碼方式,只是由于各個神經(jīng)元的特性,對輸入信號的不同反應導致產(chǎn)生不同的動作電位序列。改變輸入信號的強度對神經(jīng)元反應類型的影響不大,它不會改變神經(jīng)元的反應類型。由此,CN神經(jīng)元反應特性主要是由神經(jīng)元本身的特性決定的。與神經(jīng)元特性有關的參數(shù)決定了神經(jīng)元的反應

8、類型,改變這些參數(shù)可以研究神經(jīng)元的電生理特性。這些反應類型之間的關系可能反映了聽覺信息在耳蝸核中的編碼與解碼結果。
　　 單個人工神經(jīng)元對輸入信息的時間編碼是一種串行機制,如果按照一定規(guī)律設置參數(shù)的多個人工神經(jīng)元同時對某一信號處理,那么這些神經(jīng)元對輸入信號的時間編碼就是并行加串行共同作用的機制,這很大程度提高了對輸入信息時間編碼的特異性,在生物體中,幾乎所有的輸入感知器神經(jīng)元都是按照這種方式工作的。這種多個神經(jīng)元組成一個神經(jīng)元網(wǎng)

9、絡來編碼輸入信息就是所謂的群編碼。信息的群編碼這個概念現(xiàn)在已經(jīng)普遍被廣大神經(jīng)學家所接受,目前的神經(jīng)科學的研究中關于這方面已經(jīng)做了大量的工作,但是群編碼在特定的感覺系統(tǒng)里如何實現(xiàn)等細節(jié)問題還是未解的難題。我們探索了在原有編碼模型基礎上的兩種簡單的多個神經(jīng)元與輸入的關系,并提出了一些亟待解決的問題,如神經(jīng)元閾值的分布如何達到最佳；如何確定各個時段的第一動作電位；如何選取最佳的解碼還原函數(shù)等,為一般信號的群編碼研究打下了基礎。這些都是神經(jīng)網(wǎng)絡

10、的前期工作。
　　 聽覺信息的加工在信息傳入過程中是分級進行的,傳入中樞越高級,對特征的抽提與檢測的復雜性也在不斷地增加。對于一個中樞神經(jīng)元需要接受各個不同的頻率通道的投射。在聽覺通路的各級中樞,存在有明確的頻率-部位對應關系,不同頻率響應特性的神經(jīng)元,按其特征頻率由高到低或由低到高順序排列,形成頻率拓撲結構。這種頻率拓撲結構的存在,使得不同頻率的聲音信號可以通過不同通道上傳,因而聽覺中樞對頻率的編碼得以大大簡化。不同頻率通道傳

11、來的反應在下級神經(jīng)元的突觸疊加進而引起神經(jīng)元的動作電位的產(chǎn)生。一般情況下,由同源性通道傳來的反應,其產(chǎn)生的興奮性突觸后電位(excitatorypostsynaptic potential,EPSP)延時較短,經(jīng)由異源性通道傳來的反應,其產(chǎn)生的EPSP的延時較長。同源與異源上傳反應產(chǎn)生的EPSP會發(fā)生疊加。這種不同頻率通道的信息整合決定了神經(jīng)元的反應。我們根據(jù)聽覺神經(jīng)元的信息整合規(guī)律,提出一種新的信號去噪方法,并探討了突觸上信息整合的規(guī)

12、律。根據(jù)模擬實驗結果,得到了突觸上信息整合與突觸數(shù)目的多少和不同通道EPSP延時不同的關系。突觸數(shù)目并不是越多信息整合的效果就越好,具有一定的規(guī)律性。對于延時,理論上是越小,信息整合效果越好。不同通道EPSP的延時的差異決定了突觸上信息整合的效果。突觸信息整合的規(guī)律決定了信息在神經(jīng)網(wǎng)絡中傳遞的精確性。
　　 在論文的最后對研究工作中的遺留問題進行了討論,并對今后的工作進行了展望。主要有三個問題:一、模型的完善及優(yōu)化。生物神經(jīng)元在

13、傳遞信息的時候有興奮型和抑制型,我們的神經(jīng)元模型只考慮到興奮型,對抑制型并沒有做深入的研究和討論。為了能更好的模擬神經(jīng)元的反應機制,還需進一步的完善我們的模型。本課題中模型可調參數(shù)偏多,運算時間長,這與神經(jīng)元的快速反應存有一定的矛盾,因此,希望在日后的工作中改善算法,優(yōu)化程序,提高運算速度。二、突觸信息的整合作用。本課題突觸信息的整合作用僅考慮了延時對其的影響,未考慮權重等其他因素對信息整合的影響,下一步需要深入研究這些因素對突觸信息整