從神經(jīng)元到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：隨機(jī)動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、神經(jīng)生物物理學(xué)是研究最復(fù)雜系統(tǒng)一神經(jīng)系統(tǒng)的科學(xué)，是21世紀(jì)最熱門(mén)的科學(xué)領(lǐng)域之一。該學(xué)科研究目的是理解神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生動(dòng)物行為的方式，因此，首先必須清楚單個(gè)神經(jīng)元本身的內(nèi)部特性，包括它是怎樣形成信號(hào)的，又是怎樣對(duì)外部刺激進(jìn)行響應(yīng)的。另外，神經(jīng)元不是單獨(dú)運(yùn)作的，它與其它細(xì)胞耦合在一起形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而完成特定的功能。 現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)和理論研究表明，有非線(xiàn)性閾值行為的神經(jīng)系統(tǒng)是工作在有背景噪聲的環(huán)境中。但是，神經(jīng)系統(tǒng)仍能高效的感知、分辨和處

2、理信息。因此，針對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)中的隨機(jī)現(xiàn)象，本文按照從單個(gè)神經(jīng)元到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的思路進(jìn)行研究的。目的是要了解在不同層次的系統(tǒng)中，噪聲和其他控制參數(shù)共同作用下的系統(tǒng)是如何高效處理信息的，主要做了以下三方面的工作： 第一，在單細(xì)胞層次上，本文研究了溫度對(duì)細(xì)胞膜尺度有限的神經(jīng)元自發(fā)動(dòng)作電位的影響。首先，在確定論模型中，研究發(fā)現(xiàn)溫度的增加不利于神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢坏漠a(chǎn)生。其次，在隨機(jī)的HH模型中，考慮神經(jīng)元膜上離子通道的隨機(jī)開(kāi)關(guān)同時(shí)受到電壓和溫度的

3、調(diào)控，用數(shù)值計(jì)算和半理論推導(dǎo)的方法模擬了系統(tǒng)的演化，得到了以下結(jié)果：(1)隨著溫度的增加，HH神經(jīng)元上的K<'+>和Na<'+>通道的平均打開(kāi)率降低，膜電壓脈沖的持續(xù)時(shí)間也降低，這與單離子通道的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果定性符合；(2)在膜面積為中等大小時(shí)，隨著溫度的增加，平均脈沖間間隔先降低，達(dá)到一個(gè)最小值，然后再隨溫度升高，暗示了存在一個(gè)最佳的溫度，使系統(tǒng)的輸出最有序：(3)通過(guò)定義一個(gè)相干共振的測(cè)量參數(shù)β，發(fā)現(xiàn)在膜面積和溫度的參數(shù)平面上，β的取

4、值有一個(gè)最大的區(qū)域，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的相干共振狀態(tài)。用特征相關(guān)時(shí)間進(jìn)一步來(lái)驗(yàn)證，得到了相同的結(jié)論。最后，從溫度對(duì)通道動(dòng)力學(xué)的調(diào)節(jié)方面解釋所得到的結(jié)果。 第二，在神經(jīng)元細(xì)胞群層次上，本文考慮了耦合對(duì)在噪聲環(huán)境中的細(xì)胞群傳遞信號(hào)能力的影響。在噪聲耦合的情況下，研究發(fā)現(xiàn)，噪聲的空間關(guān)聯(lián)有利于神經(jīng)元的同步性和系統(tǒng)輸出的脈沖時(shí)間精度的提高。存在最優(yōu)的近鄰耦合長(zhǎng)度，對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)最大的響應(yīng)狀態(tài)，即局部的空間關(guān)聯(lián)是最有利的。在電突觸耦合的情況下，研究結(jié)

5、果指出：在中等強(qiáng)度的噪聲時(shí)，耦合的神經(jīng)元群處理信號(hào)的能力隨著耦合強(qiáng)度的增加而增加，達(dá)到一個(gè)最優(yōu)的值，然后降低。存在一個(gè)最佳的耦合強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的最同步的，輸出脈沖時(shí)間精度最高的狀態(tài)；在小噪聲強(qiáng)度時(shí)，耦合的加入反而破壞了系統(tǒng)的響應(yīng)能力；在大噪聲強(qiáng)度時(shí)，只有足夠大的耦合強(qiáng)度才能提高集團(tuán)響應(yīng)的脈沖時(shí)間精度。利用噪聲和電耦合共同作用下的膜電壓分布圖可以解釋所得到的結(jié)果。第三，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層次，本文研究了前饋型神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中神經(jīng)元層與層之間的連接