視網(wǎng)膜仿真模型及其感知效能分析.pdf

1、生物學(xué)家Rosen說過:“從進化的觀點來說,生理系統(tǒng)是人類解決復(fù)雜問題的最好的百科全書”。而人的眼睛,它嘆為觀止的完善功能,復(fù)雜精細的組織結(jié)構(gòu),精密協(xié)調(diào)的控制機制更是“極其完美和復(fù)雜的”(達爾文),可以說是百科全書中最為絢麗的章節(jié)之一。我們的工作正是受啟發(fā)于眼睛中接收和處理信號最為重要的組織—視網(wǎng)膜。
　　很早之前,人們就已認識到了視網(wǎng)膜的復(fù)雜,但具體復(fù)雜到什么程度,視網(wǎng)膜可分為哪些層,每層有哪些種細胞,每種細胞的數(shù)量和分布如何,

2、則是隨著近幾年來解剖學(xué),電生理學(xué),細胞形態(tài)學(xué)等學(xué)科的發(fā)展而逐漸清晰起來的?；谶@些數(shù)據(jù),我們建立了一個高度逼真的視網(wǎng)膜計算模型,此模型不僅模擬了視網(wǎng)膜的多種細胞類型和分布,還擬合了視網(wǎng)膜復(fù)雜的層次連接和結(jié)構(gòu),既忠于生理上的結(jié)構(gòu)和處理過程又在整體上展現(xiàn)了視網(wǎng)膜的多個信息處理通路。在模型基礎(chǔ)上可以設(shè)計很多實驗,比如視網(wǎng)膜物體檢測概率實驗,視網(wǎng)膜物體表征效率實驗,視網(wǎng)膜在多條件限定下(如準確性,實時性,能耗,計算復(fù)雜度等)的均衡性分析實驗等等

3、。
　　有了這個高度逼真的視網(wǎng)膜計算模型,可以為當前很多棘手的問題提供解決的方向。如人工視網(wǎng)膜芯片的設(shè)計。人工視網(wǎng)膜因為尺寸有限,所以硬件復(fù)雜度不能太高;因為發(fā)熱問題,所以能耗不能太大;因為要滿足實時的反應(yīng)要求,所以信號處理需要快速且準確。這些約束條件相互沖突,很難平衡。但這些工作正是視網(wǎng)膜平時所做的事情。研究視網(wǎng)膜在多條件下的平衡性質(zhì),對人工視網(wǎng)膜的設(shè)計具有巨大的指導(dǎo)意義。此模型也可用于實時的場景表征和圖像處理。視網(wǎng)膜將信號分為

4、顏色,亮度,運動等不同的通路形成內(nèi)部表征再進行進一步處理,這在提高表征的效率的同時大幅降低了計算的復(fù)雜度,為實時圖像的表征和處理提供了一個新的方向。同時,由于模型高度逼真于真實的視網(wǎng)膜,也可以進行生理實驗,驗證生理上的假設(shè)和推測,為生理學(xué),神經(jīng)科學(xué)提出新的問題和方向。如驗證信息處理的通路,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的局部回路,甚至可以完成一些在活體上無法完成的實驗等。
　　目前國內(nèi)外已有一些模擬視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)與功能的模型,按其最終的目的和面向的領(lǐng)域來看

5、,大致分三類。第一類:面向神經(jīng)科學(xué)。第二類:面向計算機科學(xué)應(yīng)用。第三類:面向電子工程硬件實現(xiàn)。這些模型或局限于部分的神經(jīng)回路和信息通路而沒有展現(xiàn)視網(wǎng)膜的整體特性,或僅借鑒視網(wǎng)膜模型的結(jié)構(gòu)框架和部分特性而跳過了大量的生理細節(jié)?？傮w上來說,當前已有的視網(wǎng)膜模型與真實生理情況相比,不僅在細胞的類型和數(shù)量上還有所欠缺,在視網(wǎng)膜的功能和結(jié)構(gòu)模擬上的工作也不充分,更重要的是他們的信息處理過程和真實的信息處理過程還有很大差距。在目前的情況下,利用已有