基于隨機(jī)振動與光學(xué)理論的神經(jīng)元時空動態(tài)模型研究.pdf

1、目前,智能化已經(jīng)成為機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的主要趨勢,因此人工智能研究在機(jī)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(jī)器人智能化的關(guān)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(shí)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(yùn)動)向高級(思維、情緒、心理等)的進(jìn)化、發(fā)展過程,忽略了智能的微觀產(chǎn)生機(jī)理及其向宏觀擴(kuò)散、傳播的過程。因此,由低級智能入手,由簡單到復(fù)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(jī)制,建立新的智能理論和方法,是解決機(jī)器人智能化目前所面臨的問題的有效手段。而要想實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),需要研究和分析運(yùn)動神經(jīng)系統(tǒng)與腦神經(jīng)系統(tǒng)之間共性特征,以及信息由運(yùn)動神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生、發(fā)展并向腦神經(jīng)系統(tǒng)擴(kuò)散、傳播的時空動態(tài)機(jī)理以及腦神經(jīng)系統(tǒng)的信息向運(yùn)動神經(jīng)系統(tǒng)擴(kuò)散、傳播的時空動態(tài)特性。
　　無論是運(yùn)動神經(jīng)系統(tǒng),還是腦神經(jīng)系統(tǒng),神經(jīng)元都是其基本單元,信息都

3、是在神經(jīng)元上產(chǎn)生并先在其自身的不同位置間相互擴(kuò)散后,才向外擴(kuò)散、傳播的,因此,生物智能的基礎(chǔ)和核心是神經(jīng)元信息產(chǎn)生、發(fā)展、擴(kuò)散以及信息處理問題,這使得研究神經(jīng)元信息產(chǎn)生、發(fā)展、擴(kuò)散的時空動態(tài)過程以及結(jié)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(chǔ)與核心。然而,目前已有的神經(jīng)元模型存在不能描述神經(jīng)元信息產(chǎn)生、發(fā)展、擴(kuò)散時空動態(tài)過程、不能有效整合信息產(chǎn)生的微觀機(jī)理與神經(jīng)元信息的宏觀現(xiàn)象以及應(yīng)用性(特別是在信息處理方面的應(yīng)用

4、)不高等問題,因而很難用于研究神經(jīng)元信息產(chǎn)生、發(fā)展、擴(kuò)散的時空動態(tài)過程以及神經(jīng)元信息處理。
　　針對新的人工智能理論對研究神經(jīng)元信息產(chǎn)生、發(fā)展、擴(kuò)散的時空動態(tài)過程的強(qiáng)烈需求,以及當(dāng)前神經(jīng)元模型所存在的問題,結(jié)合神經(jīng)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(jī)運(yùn)動→鈉離子通道由關(guān)閉到開放→細(xì)胞膜電勢去極化→鉀離子通道由關(guān)閉到開放→細(xì)胞膜電勢再極化→膜電勢恢復(fù)至初始水平→神經(jīng)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(jīng)元離子通道中門粒子的物理量與隨機(jī)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(jī)運(yùn)動特性與隨機(jī)振動系統(tǒng)的振動特性之間的相似性,利用隨機(jī)振動系統(tǒng),結(jié)合溫度、時間、膜電勢及其正反饋?zhàn)饔?、門粒子塑性對門粒子運(yùn)動的影響,建立了門粒子動力學(xué)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與離子通道開放概率電生理實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計結(jié)果對比,驗(yàn)證了門粒子動力學(xué)模型是正確的、有效的,從而為建立離子通道光學(xué)物理模型提供基礎(chǔ)。<

6、br>　　基于光學(xué)理論以及光電(電光)效應(yīng)、熱透鏡效應(yīng)、濃度折射效應(yīng)等物理現(xiàn)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(chǔ)上,結(jié)合離子通道的物理參數(shù)以及門粒子動力學(xué)模型計算所得的離子通道開放概率,建立離子通道光學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上,并分別利用生物神經(jīng)元細(xì)胞膜以及離子通道的物理特性,結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)的各個物理量,針對所建立的離子通道光學(xué)模型中每個參數(shù)進(jìn)行分析,獲得這些參數(shù)的嚴(yán)格物理意義與其計算公式,并通過與生物實(shí)驗(yàn)結(jié)

7、果對比,驗(yàn)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(xué)模型基礎(chǔ)上,結(jié)合鈉、鉀離子通道各自的物理參數(shù),分別建立了單個鈉、鉀離子通道光學(xué)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(xué)模型中各個物理量的計算公式。在此基礎(chǔ)上,分析了多點(diǎn)源溶液擴(kuò)散與多光源光斑擴(kuò)散疊加的相同性,利用該相同性以及光學(xué)線性疊加原理,結(jié)合細(xì)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(xué)模型,并通過仿真實(shí)驗(yàn)與電生理

8、實(shí)驗(yàn)、光學(xué)設(shè)備記錄影像對比,驗(yàn)證了所建立的多鈉、鉀離子通道光學(xué)模型的正確性和有效性。
　　分析了開放鈉、鉀離子通道產(chǎn)生的增量對神經(jīng)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(chǔ)上,結(jié)合多鈉、鉀離子通道物理等效模型,建立了神經(jīng)元膜電勢時空動態(tài)模型。為了驗(yàn)證所建立模型的正確性和有效性,進(jìn)行了所建模型仿真結(jié)果與光學(xué)設(shè)備記錄結(jié)果、白鼠背根神經(jīng)元膜片鉗實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所建立神經(jīng)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(jīng)元時空動態(tài)模型進(jìn)行了神經(jīng)元局部膜電勢產(chǎn)生、發(fā)展過程的仿真實(shí)驗(yàn),并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析,并獲得了局部膜電位的產(chǎn)生、發(fā)展、擴(kuò)散的原因與機(jī)理。
　　通過單個鈉、鉀離子通道物理等效模型獲得光擴(kuò)散振蕩模型,在此基礎(chǔ)上,分別根據(jù)鈉、鉀離子通道開放引起的膜電勢增量計算方程建立相應(yīng)的膜電勢增量振蕩模型,進(jìn)而根據(jù)鈉、鉀離子通道對膜電勢的作用,結(jié)合多鈉、鉀離子通道物理等效模型,建立神經(jīng)元膜電勢增量振蕩模型,并針對生物神經(jīng)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(jīng)元膜電勢增量振蕩模型進(jìn)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(yùn)動神經(jīng)元膜片鉗實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比驗(yàn)證了所建立的神經(jīng)元膜電勢增量振蕩模型的正確性和有效性。
　　為了驗(yàn)證所建立的神經(jīng)元膜電勢時空動態(tài)模型在實(shí)際工程對象中的可應(yīng)用性,一方面,利用該模型,進(jìn)行了面積為80μm2神經(jīng)元胞體(含6400個離子通道)膜電勢時空動態(tài)模擬的應(yīng)用實(shí)驗(yàn),并首次獲得了高時空