基于隨機振動與光學理論的神經元時空動態(tài)模型研究.pdf

1、目前,智能化已經成為機器人技術發(fā)展的主要趨勢,因此人工智能研究在機器人發(fā)展中有著極為重要的地位,人工智能的發(fā)展也成為影響機器人智能化的關鍵。但目前人工智能研究存在宏觀與微觀隔離,全局與局部割裂,理論和實際脫節(jié)等問題。造成人工智能上述問題的一個主要原因是所采用的研究人工智能的方法脫離了智能由低級(運動)向高級(思維、情緒、心理等)的進化、發(fā)展過程,忽略了智能的微觀產生機理及其向宏觀擴散、傳播的過程。因此,由低級智能入手,由簡單到復雜,由微

2、觀向宏觀,由低級智能向高級智能過渡,同時考慮高級智能的邏輯推理、判斷、決策以及反射行為機制,建立新的智能理論和方法,是解決機器人智能化目前所面臨的問題的有效手段。而要想實現這一目標,需要研究和分析運動神經系統(tǒng)與腦神經系統(tǒng)之間共性特征,以及信息由運動神經系統(tǒng)產生、發(fā)展并向腦神經系統(tǒng)擴散、傳播的時空動態(tài)機理以及腦神經系統(tǒng)的信息向運動神經系統(tǒng)擴散、傳播的時空動態(tài)特性。
　　無論是運動神經系統(tǒng),還是腦神經系統(tǒng),神經元都是其基本單元,信息都

3、是在神經元上產生并先在其自身的不同位置間相互擴散后,才向外擴散、傳播的,因此,生物智能的基礎和核心是神經元信息產生、發(fā)展、擴散以及信息處理問題,這使得研究神經元信息產生、發(fā)展、擴散的時空動態(tài)過程以及結合該過程的信息處理變得十分必要,也是建立新的智能理論和方法的基礎與核心。然而,目前已有的神經元模型存在不能描述神經元信息產生、發(fā)展、擴散時空動態(tài)過程、不能有效整合信息產生的微觀機理與神經元信息的宏觀現象以及應用性(特別是在信息處理方面的應用

4、)不高等問題,因而很難用于研究神經元信息產生、發(fā)展、擴散的時空動態(tài)過程以及神經元信息處理。
　　針對新的人工智能理論對研究神經元信息產生、發(fā)展、擴散的時空動態(tài)過程的強烈需求,以及當前神經元模型所存在的問題,結合神經元信息從微觀到宏觀的時空動態(tài)發(fā)展過程:刺激→門粒子隨機運動→鈉離子通道由關閉到開放→細胞膜電勢去極化→鉀離子通道由關閉到開放→細胞膜電勢再極化→膜電勢恢復至初始水平→神經元完成一次信息振蕩與傳播。具體開展如下研究:

5、>　　分析了神經元離子通道中門粒子的物理量與隨機振動系統(tǒng)中的主要物理量之間的相同性,并基于門粒子的隨機運動特性與隨機振動系統(tǒng)的振動特性之間的相似性,利用隨機振動系統(tǒng),結合溫度、時間、膜電勢及其正反饋作用、門粒子塑性對門粒子運動的影響,建立了門粒子動力學模型與離子通道開放概率計算方法,通過離子通道開放概率仿真實驗結果與離子通道開放概率電生理實驗統(tǒng)計結果對比,驗證了門粒子動力學模型是正確的、有效的,從而為建立離子通道光學物理模型提供基礎。<

6、br>　　基于光學理論以及光電(電光)效應、熱透鏡效應、濃度折射效應等物理現象,提出離子濃度差的平行光源假說和離子通道的等效透鏡假說。在兩個假說的基礎上,結合離子通道的物理參數以及門粒子動力學模型計算所得的離子通道開放概率,建立離子通道光學模型。在此基礎上,并分別利用生物神經元細胞膜以及離子通道的物理特性,結合光學系統(tǒng)的各個物理量,針對所建立的離子通道光學模型中每個參數進行分析,獲得這些參數的嚴格物理意義與其計算公式,并通過與生物實驗結

7、果對比,驗證了這些計算公式的正確性和有效性。
　　在所建立的離子通道光學模型基礎上,結合鈉、鉀離子通道各自的物理參數,分別建立了單個鈉、鉀離子通道光學模型,并分別針對鈉、鉀離子通道的物理特性,獲得了單個鈉、鉀離子通道光學模型中各個物理量的計算公式。在此基礎上,分析了多點源溶液擴散與多光源光斑擴散疊加的相同性,利用該相同性以及光學線性疊加原理,結合細胞膜上鈉、鉀離子通道分布密度,建立了多鈉、鉀離子通道光學模型,并通過仿真實驗與電生理

8、實驗、光學設備記錄影像對比,驗證了所建立的多鈉、鉀離子通道光學模型的正確性和有效性。
　　分析了開放鈉、鉀離子通道產生的增量對神經元膜電勢的延時作用,獲得了該延時作用的計算方法,在此基礎上,結合多鈉、鉀離子通道物理等效模型,建立了神經元膜電勢時空動態(tài)模型。為了驗證所建立模型的正確性和有效性,進行了所建模型仿真結果與光學設備記錄結果、白鼠背根神經元膜片鉗實驗結果對比實驗,實驗結果證明了所建立神經元時空動態(tài)模型是正確的和有效的,此外,

9、利用所建立的神經元時空動態(tài)模型進行了神經元局部膜電勢產生、發(fā)展過程的仿真實驗,并對實驗結果進行了分析,并獲得了局部膜電位的產生、發(fā)展、擴散的原因與機理。
　　通過單個鈉、鉀離子通道物理等效模型獲得光擴散振蕩模型,在此基礎上,分別根據鈉、鉀離子通道開放引起的膜電勢增量計算方程建立相應的膜電勢增量振蕩模型,進而根據鈉、鉀離子通道對膜電勢的作用,結合多鈉、鉀離子通道物理等效模型,建立神經元膜電勢增量振蕩模型,并針對生物神經元膜電勢的單脈

10、沖、周期、混沌以及張弛振蕩等輸出形式,對所建立的神經元膜電勢增量振蕩模型進行了穩(wěn)定性、周期解存在性、近似周期解、張弛振蕩以及混沌特性分析,通過與水蛭游泳運動神經元膜片鉗實驗結果對比驗證了所建立的神經元膜電勢增量振蕩模型的正確性和有效性。
　　為了驗證所建立的神經元膜電勢時空動態(tài)模型在實際工程對象中的可應用性,一方面,利用該模型,進行了面積為80μm2神經元胞體(含6400個離子通道)膜電勢時空動態(tài)模擬的應用實驗,并首次獲得了高時空