發(fā)布時(shí)間：2017-12-25 18:18

  本文關(guān)鍵詞：神經(jīng)能量編碼的計(jì)算理論及其在智力探索中的應(yīng)用　出處：《華東理工大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)外部信息的表達(dá)即神經(jīng)編碼是認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)最重要的基本問題之一,而神經(jīng)元的電活動(dòng)是神經(jīng)編碼問題的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的編碼理論從動(dòng)作電位、發(fā)放率等角度出發(fā)來(lái)描述神經(jīng)元的電活動(dòng),這類研究如今都遇到了各自的瓶頸。而能量編碼的方法從神經(jīng)元活動(dòng)的能量特征出發(fā)來(lái)研究神經(jīng)編碼問題,體現(xiàn)出了全局性和經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)。本研究正是對(duì)神經(jīng)能量編碼理論進(jìn)行計(jì)算層面的分析,并將其應(yīng)用于空間定位和導(dǎo)航中。本文首先探討能量編碼的理論基礎(chǔ),即神經(jīng)元的能量特征,以Hodgkin-Huxley模型為基礎(chǔ),采用離子計(jì)數(shù)法和功率積分法分別計(jì)算了神經(jīng)元在發(fā)放和閾下活動(dòng)時(shí)的能量消耗,并且比較了這兩種狀態(tài)下各個(gè)離子通道的能量消耗特征,發(fā)現(xiàn)了在兩種不同的狀態(tài)下,離子通道的功率同步性以及能量利用率都有明顯的差異,尤其是能量利用率,在閾下活動(dòng)時(shí)逼近甚至超過100%,呈現(xiàn)出了一種提前透支能量的特征。這些都說明發(fā)放狀態(tài)和閾下活動(dòng)在能量層面具有本質(zhì)區(qū)別,而能量消耗可以很好地刻畫神經(jīng)元的活動(dòng)狀態(tài),這表明了能量編碼方法的有效性及合理性。同時(shí),在引入合理的突觸能耗模型后,本研究可以很好地?cái)U(kuò)充到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的群體能耗計(jì)算,并且可以在一定程度上將功能性核磁共振(fMRI)和局部場(chǎng)電位(LFP)的數(shù)據(jù)整合起來(lái),在網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)活動(dòng)的能量供需關(guān)系和認(rèn)知行為的編碼之間建立一個(gè)橋梁。在這些計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)之上,我們進(jìn)一步探討了能量編碼方法在認(rèn)知地圖構(gòu)建和智力探索上的應(yīng)用。認(rèn)知地圖是大腦用來(lái)表達(dá)空間環(huán)境和解決空間問題的一種方式。在經(jīng)典的認(rèn)知地圖模型中,系統(tǒng)需要大量物理探索來(lái)學(xué)習(xí)空間環(huán)境,從而解決尋路問題,這個(gè)過程會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間和能量。雖然Hopfield智力探索模型彌補(bǔ)了這個(gè)缺陷,但是該模型并沒有關(guān)注路徑的高效性。并且這個(gè)模型主要來(lái)自于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),缺乏明確的生理學(xué)意義。本文的計(jì)算模型在智力探索概念的基礎(chǔ)上,運(yùn)用神經(jīng)能量編碼的理論來(lái)解決路徑搜索問題:該模型通過位置細(xì)胞集群的發(fā)放功率構(gòu)建一種能量場(chǎng),并計(jì)算能量場(chǎng)的梯度,進(jìn)而用梯度向量來(lái)研究智力探索問題。研究結(jié)果表明這種新的智力探索模型不僅可以更高效地找到優(yōu)化路徑,而且呈現(xiàn)了具有生物物理學(xué)意義的學(xué)習(xí)過程。這種新思路驗(yàn)證了位置細(xì)胞和突觸對(duì)空間記憶的重要性以及能量編碼的有效性,有助于我們進(jìn)一步了解空間記憶的神經(jīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制。在二維平面上建立了智力探索模型之后,我們進(jìn)一步研究了大腦對(duì)三維空間的表達(dá)。位置細(xì)胞如何學(xué)習(xí)和定位三維空間,這在理論和實(shí)驗(yàn)上都一片空白,本研究從能量的角度出發(fā),建立了一個(gè)三維空間的位置細(xì)胞集群網(wǎng)絡(luò)模型,用能量定義了位置細(xì)胞的位置野、位置野中心,并分析了該模型的定位功能和能耗特性。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看,我們提出的這個(gè)模型很好地模擬了位置細(xì)胞的特點(diǎn),每個(gè)位置細(xì)胞具有各自的空間選擇性,并且整個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)⒍ㄎ徽`差限制在一定的范圍內(nèi)。這個(gè)模型既是低維空間位置細(xì)胞模型在三維空間的推廣,也是發(fā)放率模型在能量層面的推廣,同時(shí)也是能量編碼的思想用來(lái)建立功能性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一次嘗試。研究揭示了大腦在編碼三維空間位置信息時(shí)的能量經(jīng)濟(jì)性原則,這項(xiàng)工作能夠?yàn)橥暾麡?gòu)建大腦在實(shí)際三維空間的認(rèn)知模型打下基礎(chǔ),進(jìn)而反映出大腦是怎樣在能量經(jīng)濟(jì)性原則的指導(dǎo)下進(jìn)行定位、導(dǎo)航和路徑規(guī)劃的,將為我們對(duì)神奇大腦的認(rèn)識(shí)揭開新的篇章。
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：R338;TP183

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本文編號(hào)：1333913