本文選題：交互 + 熵　； 參考：《北京交通大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：背景和意義本文描述了人和計(jì)算之間交互基礎(chǔ)。它提供了一個(gè)獨(dú)立載體計(jì)算的理論框架,并展示了實(shí)際的神經(jīng)信息的編碼和傳輸。這項(xiàng)研究主要關(guān)注的是意向信息在人們之間的傳達(dá),接收,詮釋和表現(xiàn)形式。該項(xiàng)工作建立了生物與機(jī)器計(jì)算的信息和計(jì)算理論,其中包括關(guān)注和意向。意向體系和計(jì)算體系之間的信息和意向傳遞是當(dāng)今社會(huì)的一個(gè)專題。當(dāng)前可以檢測(cè)、儲(chǔ)存和傳輸?shù)纳镄盘?hào)信息和意向保真度較低。到目前為止,意向和其它計(jì)算結(jié)構(gòu)之間的信息傳遞格式尚未形式化。這種傳輸仍然是一個(gè)形成性的研究課題。進(jìn)行人類信息傳遞限制的研究需要建立一個(gè)人機(jī)交互的基礎(chǔ)。這些限制體現(xiàn)了人機(jī)交互存在的可能性。生物系統(tǒng)和非生物計(jì)算系統(tǒng)間一種常見的信息傳遞表現(xiàn)形式能夠?qū)崿F(xiàn)此類轉(zhuǎn)移的設(shè)計(jì)。本文用于描述信息傳遞的框架是熵公式,它的背景是獨(dú)立的,由此產(chǎn)生的理論是相對(duì)獨(dú)立的技術(shù)。因?yàn)榭蚣芑陟?所以它可以被輕易轉(zhuǎn)化為一個(gè)熱力學(xué)、一個(gè)信息模型并且可以用量子力學(xué)解釋它。交互通過建立一個(gè)人際交互模型,我們可以提高人們的生活體驗(yàn)。在人際交互模式的創(chuàng)造中,我們可以描述一個(gè)能量化交互作用和預(yù)測(cè)結(jié)果的模式。它可以提高工作效率,使人們和社會(huì)更接近他們的目標(biāo)。代表人類的交互模型被用于人體工程學(xué)設(shè)計(jì),建筑和危重病醫(yī)學(xué)。一個(gè)有用的交互模型必須滿足建模和描述交互兩大要求,并允許嘗試人和環(huán)境之間交互作用的預(yù)測(cè)。人機(jī)交互領(lǐng)域必須存在兩個(gè)元素:人、機(jī)器或系統(tǒng)。機(jī)器的形成對(duì)人類是次要的,因?yàn)槿祟悇?chuàng)造了機(jī)器。人類是機(jī)器的創(chuàng)始人,就一般意義而言,機(jī)器是系統(tǒng)的一個(gè)子類。從生物、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)交互的必要性來(lái)看,人和機(jī)器發(fā)展一個(gè)人類模型變得勢(shì)在必行。建立一個(gè)人類醫(yī)學(xué)模型是勢(shì)在必行的,其源于預(yù)測(cè)人類身體系統(tǒng)行為的必要性,以改善和保存生命體。來(lái)自社會(huì)和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的呼聲決定了對(duì)人類社會(huì)的建模同樣勢(shì)在必行,因?yàn)樗兄陬A(yù)測(cè)行為模式,并進(jìn)一步用于確定經(jīng)濟(jì)流量和社會(huì)議題。藝術(shù)、醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、建筑、體育、政府、廣告、商業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)開始嘗試基于行業(yè)要求對(duì)人類形態(tài)和人類行為的各方面進(jìn)行建模。最近幾個(gè)世紀(jì),直覺和藝術(shù)形式的人類模型在藝術(shù)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得以描述。這些模型以不同的單位被定義,包括動(dòng)力單元,化學(xué)和分子結(jié)構(gòu),信息結(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu)。許多信息從人類形態(tài)中收集,研究者試圖了解其功能和交互作用。在過去的一個(gè)世紀(jì)里,對(duì)人體熱力學(xué)的研究已經(jīng)得出了身體中能量利用的詳細(xì)圖。其詳細(xì)程度足以描述身體的分子和原子。人與人之間的信息交換,有意識(shí)的交互和計(jì)算,動(dòng)物的神經(jīng)元詳細(xì)程度被稱為一個(gè)生物的中央控制中心。對(duì)臨床和實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的神經(jīng)系統(tǒng)條件進(jìn)行修改被廣泛用于改變動(dòng)物行為,并借此實(shí)現(xiàn)生物與環(huán)境的交互。人們可以有意識(shí)地報(bào)告熱力學(xué)交換的神經(jīng)尺度,因此允許由單個(gè)有機(jī)體執(zhí)行的內(nèi)部計(jì)算和環(huán)境之間的接口。在心理學(xué)和行為研究領(lǐng)域?qū)υ摻涌谶M(jìn)行了探索,一個(gè)主要的數(shù)據(jù)源是通過符號(hào)溝通神經(jīng)系統(tǒng)有意識(shí)的報(bào)告。通過標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)、核和重力模型,整個(gè)物理世界發(fā)生了人際交互和人機(jī)交互。人類世界中的人際交互十分重要但并不能通過物理模型精確地量化(雖然隨著商品化計(jì)算和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn),大數(shù)據(jù)方法已使這一領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)步)。人類世界在心理、社會(huì)、人體工程學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、生物和經(jīng)濟(jì)等基礎(chǔ)上被量化了。觀測(cè)網(wǎng)本文展示了觀測(cè)網(wǎng)的信息傳遞理論和一系列的生物信息傳遞的實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)進(jìn)行簡(jiǎn)單性和整體性比較時(shí),觀測(cè)網(wǎng)毫不遜色于其他理論框架。簡(jiǎn)單是因?yàn)榭梢酝ㄟ^計(jì)算觀測(cè)理論組成部分從而進(jìn)行量化;完整性可以通過理論描述的可測(cè)量信息的比例而進(jìn)行量化。觀測(cè)網(wǎng)可以最大限度地展示的復(fù)雜程度(簡(jiǎn)單)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換的單元素有向圖和熵(負(fù)面能量)。理論的重要性和有效性的范圍是成比例的,通過這一措施,我們能夠模擬普朗克規(guī)模以上的所有可能的交互。觀測(cè)網(wǎng)充分描述了交互的可能性,并提供一個(gè)普朗克規(guī)模的完整的交互和計(jì)算基礎(chǔ)。這是與其他在某種程度上失敗的理論框架,如牛頓力學(xué)進(jìn)行比較而言的。完整性標(biāo)準(zhǔn)表明了觀測(cè)網(wǎng)的實(shí)用性和重要性。觀測(cè)網(wǎng)可以充分描述人類熱力學(xué)可測(cè)量的交互作用,但無(wú)法量化不可測(cè)量的交互作用。該熱力學(xué)的交互作用提出了包括全部的人類可測(cè)量的生活經(jīng)驗(yàn)。因此,基于更大范圍,該理論與不能充分描述交互作用的理論相比是十分重要的。在人機(jī)交互領(lǐng)域,人類的生活經(jīng)驗(yàn)是研究領(lǐng)域的議題。人機(jī)交互領(lǐng)域還研究人們?nèi)绾闻c計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行交互。這種交互成為參與交互的人們的生活體驗(yàn)的一部分。到目前為止,這種交互作用很少在物理、熱力學(xué)或完整的信息基礎(chǔ)上被完全量化。觀測(cè)網(wǎng)提供了這種基礎(chǔ)并根據(jù)熱力學(xué),信息和量子理論對(duì)其量化。實(shí)驗(yàn)方面的工作發(fā)展了交互作用、計(jì)算和信息存儲(chǔ)的基礎(chǔ)。同時(shí),一個(gè)通用的意向信令模型也被開發(fā)出來(lái),神經(jīng)元級(jí)別的人機(jī)信息傳遞也在實(shí)驗(yàn)中得到了測(cè)試。本文提出以下問題的答案:意向和選擇我們?nèi)绾蚊枋鲆粋�(gè)通用的意向和選擇模型?計(jì)算什么是信息?什么是對(duì)人類的計(jì)算?人們?nèi)绾谓邮招畔?人們?nèi)绾芜M(jìn)行計(jì)算?神經(jīng)生物學(xué)我們?nèi)绾芜M(jìn)行生物計(jì)算?我們?nèi)绾螌⑿畔鬟f給人們呢?我們需要一個(gè)模型來(lái)描述在一般情況下不受限于一個(gè)特定有效域的交互作用的可能性�；谶@個(gè)目的,這項(xiàng)工作從普朗克尺度可以具有交互作用的熱力學(xué)可能性的熵單元著手。這種描述交互作用的方法最初源于量子力學(xué),并已經(jīng)成功展示了亞原子物理,電動(dòng)力學(xué),生物學(xué)和宇宙學(xué)預(yù)測(cè)模型。一個(gè)常見的和統(tǒng)一的交互作用的單位不會(huì)出現(xiàn)在人際交互建模中,相反,各種單位一起被使用并且這些單位之間必須進(jìn)行轉(zhuǎn)換以使結(jié)果從一種類型的模型聯(lián)系到另一種類型的模型。通過定義交互作用的基礎(chǔ),我們可以定義一個(gè)模擬人和人以及人和環(huán)境之間的交互作用的基礎(chǔ)。本研究提出了一個(gè)類似的通用單元并且根據(jù)觀測(cè)網(wǎng)理論檢驗(yàn)了其在計(jì)算和信息交換中的作用。意向、關(guān)注和選擇通過使用能夠跟隨受試者注視的視覺關(guān)注向量在觀測(cè)者的周圍環(huán)境中創(chuàng)造選擇空間的例子很多(眼電圖)[1]。使用與視覺關(guān)注相連的設(shè)備來(lái)表明目標(biāo)的方法已經(jīng)比較完善[2][3][4]。在醫(yī)療健康領(lǐng)域,允許通過眨眼、肌肉運(yùn)動(dòng)[5]、氣流或者各種其它方便且低噪聲的指示器來(lái)選擇環(huán)境要素的方法也已經(jīng)很完善并且被用于操作機(jī)器。成像系統(tǒng)可以通過對(duì)視覺、肢體和手指的跟蹤來(lái)估測(cè)選擇意向。在健康醫(yī)療、運(yùn)動(dòng)和環(huán)境領(lǐng)域,測(cè)知肌肉運(yùn)動(dòng)是通過光學(xué)、機(jī)械和電子方法[6]來(lái)完成的。通過一個(gè)來(lái)源記錄多種類型信號(hào)的組合式傳感器[7]也可以實(shí)現(xiàn)。從身體測(cè)知到的信號(hào)(包括肌動(dòng)電流圖、腦電圖和功能磁共振成像)被用來(lái)提供諸如交流、假肢控制、操作機(jī)器設(shè)備以及生物指向等能力。交互作用——計(jì)算的先決條件交互作用需要測(cè)量。我們認(rèn)為有必要在測(cè)量中加入熵傳遞:這體現(xiàn)在量子力學(xué)中就是海森堡Heisenburg[8](1927)的不確定性原理,體現(xiàn)在熱力學(xué)中就是Szilard康斯坦丁[9]的反熵作用,近期我們可以從Schreiber施賴伯[10]和Prokopenko普羅科彭科Lizier利齊耶[11]的熵傳遞中看到測(cè)量的必要性。KullbackLeibler[12]庫(kù)爾貝克和萊布勒的信息理論著作中討論了測(cè)量的相對(duì)論(相對(duì)熵),Einstein[13]愛因斯坦的量子力學(xué)也討論了這個(gè)問題,其中有數(shù)學(xué)描述([14][15])。當(dāng)遠(yuǎn)程熵(傳遞)出現(xiàn)時(shí),局部熵會(huì)減少。Prokopenko普羅科彭科和[16]del Rio[17]德爾里奧等提出了這種模型。Mahulikar馬胡里卡Herwig赫維希[18]的爭(zhēng)論似乎解釋了 Berut貝魯特[19]的實(shí)證研究結(jié)果。Landauer[20]蘭道爾原理描述了信息的影響。在它的引力關(guān)系[21],熵驅(qū)動(dòng)的空間組織[22]和社會(huì)層面的交互作用中描述了局部熵減少的宏觀影響。通過物理測(cè)量的尺度變化可以看出基于時(shí)間的熵的增加[23][25]。當(dāng)氣體擴(kuò)散時(shí)在分子層面出現(xiàn)的情況在人類社會(huì)[26][27]和量子層面也有相應(yīng)的現(xiàn)象,在人類社會(huì)層面就像資訊發(fā)布,在量子層面就像集光率[28]。與觀測(cè)相關(guān)的熵增加被描述為[1][20][29][9]of kB T ln 2,它是一個(gè)最小的限制(kB是玻耳茲曼常量,T是溫度,2代表前后的狀態(tài)),這也定義了改變一字節(jié)信息所需要的最小的能量。實(shí)證研究表明最小限制[20]是有效的。本文中描述了由原子論熱力學(xué)交互單元建立的交互作用模型。現(xiàn)在有一些可用的交互作用模型,但是到目前為止都是有限域。熵網(wǎng)絡(luò)通常我們從熵可以在網(wǎng)絡(luò)中測(cè)量的角度來(lái)研究熵網(wǎng)絡(luò)。在很多案例中具體化的網(wǎng)絡(luò)是物理或信息。在觀測(cè)中可以發(fā)現(xiàn)熵網(wǎng)絡(luò)離散的基礎(chǔ),Prokopenko普羅科彭科,Lizier利齊耶Price普里塞[16]在著作中對(duì)離散的基礎(chǔ)進(jìn)行了簡(jiǎn)單討論。Szilard康斯坦丁[9]和Brillouin布里盧安[29]提供了更完整的觀測(cè)討論。在Schreiber施賴伯[10]的熵傳遞理論中,熵在網(wǎng)絡(luò)中的傳遞具有獨(dú)特的特點(diǎn)。Wissner-Gross葛洛斯;格羅斯和Freer[30]弗里爾公布了熵網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和研究,他們提出了時(shí)間熵關(guān)系(熵在一段預(yù)期期限中被最大化),他們指出可以展示復(fù)雜性出現(xiàn)的預(yù)測(cè)(比如發(fā)生在信息中)。熵信息結(jié)構(gòu)在工程學(xué)和決定偏光力的物理影響、組織生物分子[22]以及量化冷凝物質(zhì)的拓?fù)渲械淖饔檬鞘种匾�。熵網(wǎng)絡(luò)允許多方面、多角度、跨學(xué)科地描述熵的作用[31][32]�？梢�,出版物對(duì)熵傳遞的網(wǎng)絡(luò)概念研究主要體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)學(xué)和神經(jīng)科學(xué)上。熵網(wǎng)絡(luò)動(dòng)機(jī)被認(rèn)為是與規(guī)模無(wú)關(guān)的[33]。網(wǎng)絡(luò)根據(jù)總熵被歸類[34][35]。熵的圖表內(nèi)容被認(rèn)為橫跨了數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域。(?)神經(jīng)生物學(xué):神經(jīng)回路工程神經(jīng)回路工程有幾個(gè)動(dòng)機(jī)。主要考慮的是修復(fù)癱瘓引起的神經(jīng)和回路的問題。其它的目標(biāo)包括信息的表現(xiàn)(尤其是記憶)和神經(jīng)回路中的過程網(wǎng)絡(luò)。這些目標(biāo)通常都在合成生物學(xué)和生物工程學(xué)的議程內(nèi)。本文包括幾個(gè)著重于指導(dǎo)神經(jīng)突起生長(zhǎng)的光學(xué)技術(shù)的試驗(yàn)。對(duì)神經(jīng)突起的光學(xué)控制的研究最早至少可以追溯到1993年[36],Juanita Anders胡安妮塔安德斯改變了老鼠面部神經(jīng)的重生速度。Wollman[37]沃爾曼在1996年研究了神經(jīng)突起受激光輻射后的運(yùn)動(dòng)性。萊比錫大學(xué)的Josef Kas約瑟夫卡的實(shí)驗(yàn)室開始研究"軟物質(zhì)物理"課題,并在2001年創(chuàng)造了細(xì)胞光學(xué)延展器。在2002年Allen Ehrlicher艾倫厄利徹與Timo Betz蒂莫貝茨和約瑟夫卡實(shí)驗(yàn)室的其他工作人員發(fā)表了關(guān)于神經(jīng)突起生長(zhǎng)的光學(xué)控制的文章[38]。這項(xiàng)技術(shù)包括通過對(duì)顯微鏡載片臺(tái)投射激光并通過移動(dòng)顯微鏡載片臺(tái)或外部的物鏡來(lái)操縱細(xì)胞。技術(shù)上跟激光鑷子有些類似,盡管它應(yīng)用的沒有激光鑷子多。其它神經(jīng)突起生長(zhǎng)方向的技術(shù)包括在基片上打印模式,啟動(dòng)趨電性或者物理拉伸細(xì)胞。本文中指導(dǎo)神經(jīng)突起生長(zhǎng)的光學(xué)方法體現(xiàn)了一個(gè)有限的領(lǐng)域技術(shù),因?yàn)樗窒抻诤苄〉姆秶hrlicher艾倫厄利徹[38]發(fā)表了神經(jīng)突起的光學(xué)控制的概念和方法論,Timo Betz蒂莫貝茨在他的博士論文中繼續(xù)研究了這個(gè)課題。目前人們通過一個(gè)不同的超細(xì)纖維光學(xué)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展了這個(gè)方法,超細(xì)纖維光學(xué)技術(shù)更適合體內(nèi)應(yīng)用。本文中發(fā)明的方法與顯微外科相配的優(yōu)勢(shì)是它能在體內(nèi)使用,而之前的技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)。到目前為止,我們研究了神經(jīng)突起生長(zhǎng)的二維和三維激光定向[38][39][40][41]。本文通過一個(gè)三維控制系統(tǒng)展現(xiàn)了一個(gè)與顯微外科相配的指導(dǎo)神經(jīng)突起生長(zhǎng)的方法。本文內(nèi)容本文提出了一種互動(dòng)模型,這是在互動(dòng)基礎(chǔ)上關(guān)于注意力的簡(jiǎn)單模型,它顯示了實(shí)驗(yàn)信息傳遞到神經(jīng)元和神經(jīng)生長(zhǎng)的方向的過程。觀測(cè)網(wǎng)提出可以通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)熵傳輸進(jìn)行描述。網(wǎng)絡(luò)熵的傳輸可以產(chǎn)生邏輯門及其它圖案。此外,這還可以用來(lái)描述人們與環(huán)境互動(dòng)時(shí)的選擇過程。同時(shí),本文還對(duì)人們?nèi)绾闻c環(huán)境互動(dòng)及人們?nèi)绾谓邮招畔⒌倪^程進(jìn)行了簡(jiǎn)單描述。理論的最小信息、最小的邏輯和最小的復(fù)雜交互作用系統(tǒng)都是以離散和尺度不變的形式加以呈現(xiàn)。在本項(xiàng)研究中,信息的理論基礎(chǔ)擴(kuò)展到最簡(jiǎn)單的計(jì)算形式(及緊急情況的備選形式)。Shannon和Von Neuman為本項(xiàng)研究提供了信息基礎(chǔ)。其基礎(chǔ)是由Szilard根據(jù)普朗克和玻爾茲曼熵公式提出的。熵的基礎(chǔ)是尺度不變的,這使我們能夠推廣到生物信息處理器。我們通過在熵的基礎(chǔ)上對(duì)處理信息進(jìn)行量化,而不是在質(zhì)量能量的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)和質(zhì)能量的細(xì)節(jié)進(jìn)行計(jì)算。作為量化熵的方式,質(zhì)能量的細(xì)節(jié)信息是很重要的。本項(xiàng)研究表明,在質(zhì)能量獨(dú)立的基礎(chǔ)上進(jìn)行離散和尺度不變的計(jì)算,這不僅適用于生物學(xué)領(lǐng)域,還適用于人類和非人類的計(jì)算系統(tǒng)之間。這就為人機(jī)交互、信息傳遞、存儲(chǔ)和計(jì)算提供了理論基礎(chǔ)。傳遞最小信息到人類神經(jīng)系統(tǒng)的方式可以通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(本次我們使用的是光子)得以展現(xiàn)。此外,我們通過軸突生長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)修飾對(duì)在神經(jīng)元中存儲(chǔ)信息和格式化信息的處理方法進(jìn)行了展示。我們對(duì)人和環(huán)境之間信息處理過程中的傳輸(交互)、存儲(chǔ)和控制提供了理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)。這就定義了可測(cè)人機(jī)交互范圍的基礎(chǔ)。本方法對(duì)神經(jīng)元編碼和存儲(chǔ)信息的過程進(jìn)行了描述,并對(duì)報(bào)告的信息采集和神經(jīng)系統(tǒng)的計(jì)算提供了基礎(chǔ)。因?yàn)檫@對(duì)人類也是適用的,所以重要性毋庸置疑。生物互聯(lián)網(wǎng)的四個(gè)進(jìn)展本項(xiàng)研究為人機(jī)互動(dòng)的發(fā)展開辟了四條道路,并取得了四項(xiàng)成果。這四種方法都是廣受贊譽(yù)的。這些方法一起使用將使規(guī)模不變的信息和計(jì)算結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)成為可能;同時(shí)將光學(xué)控制的編碼信息和計(jì)算結(jié)構(gòu)合并到一個(gè)神經(jīng)系統(tǒng),并使光學(xué)信息傳遞到一個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)。此外,的方法還有基于人類注意的信號(hào)意向。這些方法都是該領(lǐng)域所取得的新的進(jìn)展。1)基于驅(qū)動(dòng)的面神經(jīng)和一致的視覺注意矢量,一種新的人機(jī)交互方法出現(xiàn)了。本文描述一種新的利用熵單位交來(lái)計(jì)算交互的理論。2)提出基礎(chǔ)計(jì)算理論。其功能通過熱力學(xué)方式實(shí)現(xiàn),并允許獨(dú)立范圍的計(jì)算方式。3)本研究顯示了體內(nèi)神經(jīng)突長(zhǎng)的光學(xué)三維控制,為體內(nèi)神經(jīng)電路的修復(fù)和生長(zhǎng)開辟了道路。4)時(shí)間熵限制的信息傳遞到神經(jīng)系統(tǒng),并以一種新的范式用于人機(jī)界面。該信息以實(shí)驗(yàn)的方式在一個(gè)自由空間的遺傳系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)。研究結(jié)果1)(?)通過觀測(cè)矢量選擇意向信號(hào)通過結(jié)合兩個(gè)變量:一個(gè)三維的觀測(cè)向量和一個(gè)意向值,在其視覺選擇空間范圍內(nèi),觀測(cè)者可以將意向值賦給任何可觀測(cè)到的元素。該實(shí)踐的物理實(shí)現(xiàn)方法是通過將定向發(fā)射機(jī)對(duì)準(zhǔn)觀測(cè)者的三維觀測(cè)矢量,并在意向傳輸?shù)膹?qiáng)度值上進(jìn)行編碼。能接收到定向傳輸?shù)脑?可以通過接收編碼為正的意向值的傳輸來(lái)選擇。我們使用一個(gè)激光和一個(gè)聚焦的紅外光束,這可以戴在頭上沿觀測(cè)矢量發(fā)起一個(gè)方向性的傳輸,該觀測(cè)矢量能被調(diào)制進(jìn)而對(duì)感測(cè)水平的意向符號(hào)進(jìn)行編碼。2)(?)通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)實(shí)的計(jì)算當(dāng)觀測(cè)者接收到它所觀測(cè)到的信息時(shí),觀測(cè)者的熵就會(huì)增加。要做到這一點(diǎn),觀測(cè)者必須至少分配兩個(gè)狀態(tài):一個(gè)前觀測(cè)狀態(tài)和一個(gè)后觀測(cè)狀態(tài)。在一個(gè)只有觀測(cè)者和被觀測(cè)者的系統(tǒng)中,這種變化是被觀測(cè)者的相對(duì)熵減少的現(xiàn)象。此外,該變化也反映在被觀測(cè)者識(shí)別的相對(duì)概率增長(zhǎng)上。從之前的調(diào)查研究中,我們可以發(fā)現(xiàn):多個(gè)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)確定最小的熵傳遞值為1納特。這也描述了一個(gè)有機(jī)體接收信息所需的最小能量。同時(shí),本文還將進(jìn)一步描述能量、熵和信息之間的關(guān)系。觀測(cè)該觀測(cè)模型被視為描述交互活動(dòng)的基礎(chǔ)。該模型基于熵的概率轉(zhuǎn)移,并通過Boltzmann,Shannon,及von Neuman提出的能量熵信息的關(guān)系進(jìn)行量化。熵傳遞是熱力學(xué)理論的基礎(chǔ)。在上世紀(jì)第二十年代初,Szilard提出了著名的生物間的關(guān)系,Brillouin使其在量子模型的發(fā)展方面得到廣泛適用。觀測(cè)網(wǎng)近來(lái),量子計(jì)算出現(xiàn),尺度不變的網(wǎng)絡(luò)圖案、熵轉(zhuǎn)移和信息的物質(zhì)傳輸引起了新的興趣,這些新趨勢(shì)使熵關(guān)系得到了重新審視。因?yàn)樗晌锢砹孔幽Ｐ投x并得到了實(shí)驗(yàn)證據(jù)的支持,所以熵關(guān)系的適用性是較為廣泛的。在本文第4.2節(jié)中,我們定義了熵轉(zhuǎn)移。第4.3節(jié)主要介紹觀測(cè)過程,第5.3節(jié)則主要總結(jié)了本研究提出的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型。觀測(cè)網(wǎng)模型是一種離散形式的熵傳遞,它能精確地指定相互作用。不同復(fù)雜程度的生物有不同的熵和不確定性的預(yù)算,但其熵網(wǎng)絡(luò)的定義是類似的[33]。本項(xiàng)研究基于vonNeuman和Everett所提出離散(不連續(xù))互動(dòng)模型。3)(?)NEN神經(jīng)突起編碼通過采用納米激光在軸突生長(zhǎng)錐進(jìn)行模式控制肌動(dòng)蛋白聚合,該生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生長(zhǎng)技術(shù)得以展示,從而提供了一種在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的生長(zhǎng)方向的空間位置編碼。這就使基于神經(jīng)元的信息處理器能夠設(shè)計(jì)和控制生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的生長(zhǎng)方向。通過～800nm激光對(duì)神經(jīng)突起的生長(zhǎng)區(qū)的前沿進(jìn)行引導(dǎo),神經(jīng)軸突得以生長(zhǎng)。這可以通過光線投射控制錐形光纖的三維空間中的位置和方向來(lái)實(shí)現(xiàn)。激光照射的細(xì)胞突起可以在平坦的表面上生長(zhǎng)。神經(jīng)突起的生長(zhǎng)是受光纖的輻射影響的。它生長(zhǎng)在被限制的表面,受其初始生長(zhǎng)向量的影響。此外,突起的生長(zhǎng)受光纖錐度的影響,并可以在錐度的運(yùn)動(dòng)方向上生長(zhǎng)。4)(?)ES Signal Encoding,動(dòng)作電位的信號(hào)編碼通過最大靈敏度的海馬網(wǎng)絡(luò),并在網(wǎng)絡(luò)時(shí)間為基礎(chǔ)的最大熵的邊緣信號(hào)上創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)格式,神經(jīng)信息傳遞格式得以定義。符號(hào)在時(shí)間最大熵閾值中的上下方進(jìn)行定義,同時(shí),信息是通過跨越臨界值進(jìn)行傳播的。這是一種基于光信號(hào)的實(shí)驗(yàn)與神經(jīng)元接收機(jī)的信號(hào)范式�；谏窠�(jīng)元的最大信息處理速度(穗列車發(fā)射率),我們開發(fā)了一個(gè)協(xié)議。此外,所采用的策略將會(huì)使信息發(fā)送到一個(gè)神經(jīng)元附近的最大動(dòng)作電位+難選性速度。我們通過多種手段實(shí)現(xiàn)了自由空間光傳輸系統(tǒng):頭頂20厘米燈光、遠(yuǎn)距離靜態(tài)激光振鏡。神經(jīng)元接收多個(gè)來(lái)源得以生長(zhǎng):原代培養(yǎng)轉(zhuǎn)染小鼠、大鼠海馬神經(jīng)元、PC-12細(xì)胞。接收信號(hào)被記錄在轉(zhuǎn)染神經(jīng)元膜片鉗、電極陣列和電壓敏感鈣染料等不同的實(shí)驗(yàn)裝置上。通過區(qū)域照明或激光實(shí)現(xiàn)的傳輸方法,我們能夠?qū)鬏斝畔⒖煽康剞D(zhuǎn)到轉(zhuǎn)染神經(jīng)元上而我們的光信號(hào)接收器遠(yuǎn)在20cm以外。這個(gè)距離表明,一個(gè)基于神經(jīng)元的接收器可以在室內(nèi)環(huán)境中使用。在該室內(nèi)環(huán)境中,信息的傳輸是通過一個(gè)自由空間光發(fā)射機(jī)進(jìn)行的,例如通過房間的光。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP11
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本文編號(hào)：1733846