本文關(guān)鍵詞：神經(jīng)能量編碼的計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

  更多相關(guān)文章： 能量編碼 智力探索 神經(jīng)能量場 三維空間 位置細(xì)胞

【摘要】：神經(jīng)系統(tǒng)對外部信息的表達(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)元的電活動是神經(jīng)編碼問題的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的編碼理論從動作電位、發(fā)放率等角度出發(fā)來描述神經(jīng)元的電活動,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)元活動的能量特征出發(fā)來研究神經(jīng)編碼問題,體現(xiàn)出了全局性和經(jīng)濟性等優(yōu)勢。本研究正是對神經(jīng)能量編碼理論進行計算層面的分析,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),采用離子計數(shù)法和功率積分法分別計算了神經(jīng)元在發(fā)放和閾下活動時的能量消耗,并且比較了這兩種狀態(tài)下各個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,在閾下活動時逼近甚至超過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)元的活動狀態(tài),這表明了能量編碼方法的有效性及合理性。同時,在引入合理的突觸能耗模型后,本研究可以很好地擴充到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的群體能耗計算,并且可以在一定程度上將功能性核磁共振(fMRI)和局部場電位(LFP)的數(shù)據(jù)整合起來,在網(wǎng)絡(luò)動態(tài)活動的能量供需關(guān)系和認(rèn)知行為的編碼之間建立一個橋梁。在這些計算結(jié)果的基礎(chǔ)之上,我們進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學(xué)習(xí)空間環(huán)境,從而解決尋路問題,這個過程會耗費大量時間和能量。雖然Hopfield智力探索模型彌補了這個缺陷,但是該模型并沒有關(guān)注路徑的高效性。并且這個模型主要來自于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),缺乏明確的生理學(xué)意義。本文的計算模型在智力探索概念的基礎(chǔ)上,運用神經(jīng)能量編碼的理論來解決路徑搜索問題: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,并計算能量場的梯度,進而用梯度向量來研究智力探索問題。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。這種新思路驗證了位置細(xì)胞和突觸對空間記憶的重要性以及能量編碼的有效性,有助于我們進一步了解空間記憶的神經(jīng)動力學(xué)機制。在二維平面上建立了智力探索模型之后,我們進一步研究了大腦對三維空間的表達(dá)。位置細(xì)胞如何學(xué)習(xí)和定位三維空間,這在理論和實驗上都一片空白,本研究從能量的角度出發(fā),建立了一個三維空間的位置細(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。從計算結(jié)果來看,我們提出的這個模型很好地模擬了位置細(xì)胞的特點,每個位置細(xì)胞具有各自的空間選擇性,并且整個系統(tǒng)能夠?qū)⒍ㄎ徽`差限制在一定的范圍內(nèi)。這個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,同時也是能量編碼的思想用來建立功能性神經(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的能量經(jīng)濟性原則,這項工作能夠為完整構(gòu)建大腦在實際三維空間的認(rèn)知模型打下基礎(chǔ),進而反映出大腦是怎樣在能量經(jīng)濟性原則的指導(dǎo)下進行定位、導(dǎo)航和路徑規(guī)劃的,將為我們對神奇大腦的認(rèn)識揭開新的篇章。
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：R338;TP183

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 孫業(yè)君;王俊;江昊琳;詹小艷;;自然正交函數(shù)在華北地震能量場分析中的應(yīng)用[J];防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報;2013年01期

2 張瓊;劉祖云;;微博政治:公共能量場域建構(gòu)[J];自然辯證法通訊;2012年02期

3 流言;;嫉妒的理由[J];百科知識;2010年07期

4 楊明芝;馬禾青;;大地震前區(qū)域能量場的時間因子異常特征[J];地震;2013年03期

5 羅國富;屠泓為;許曉慶;馬禾青;楊明芝;;寧夏及鄰區(qū)地震活動能量場時空變化特征[J];高原地震;2011年03期

6 ;悅讀時代[J];華東科技;2013年01期

7 楊明芝;馬禾青;;汶川8.0級地震區(qū)域地震能量場分析[J];地球物理學(xué)進展;2012年03期

8 高必春,宗德孝,武麗;活躍渦與準(zhǔn)靜止渦能量場特征差異[J];貴州氣象;1998年04期

9 羅國富;曾憲偉;馬禾青;楊明芝;;岷縣漳縣6.6級地震前地震活動能量場分析[J];地震工程學(xué)報;2014年02期

10 羅國富,楊明芝;云南地區(qū)地震活動能量場的時空分布特征[J];中國地震;2005年03期

相關(guān)會議論文 前5條

1 林虹;;現(xiàn)代人急需要提高生命能量[A];第三屆中和亞健康論壇暨2009·亞健康產(chǎn)業(yè)展覽會論文集[C];2009年

2 羅國富;葉青;馬禾青;;甘東南至陜甘寧交地震活動能量場時空特征[A];2011中國地震學(xué)會地震電磁學(xué)專業(yè)委員會換屆暨學(xué)術(shù)研討會摘要集[C];2011年

3 臧傳花;;9711號臺風(fēng)與0509號臺風(fēng)能量場對比分析[A];淄博市第十一屆自然科學(xué)優(yōu)秀學(xué)術(shù)成果論文集[C];2008年

4 臧傳花;;9711號臺風(fēng)與0509號臺風(fēng)能量場對比分析[A];山東氣象學(xué)會2005年學(xué)術(shù)交流會優(yōu)秀論文集[C];2005年

5 馬紅云;王詠青;郭品文;;兩類不同路徑臺風(fēng)登陸前后的總能量對比分析[A];中國氣象學(xué)會2006年年會“災(zāi)害性天氣系統(tǒng)的活動及其預(yù)報技術(shù)”分會場論文集[C];2006年

相關(guān)重要報紙文章 前4條

1 寧新春;當(dāng)街捉賊壯大溫暖能量場[N];東莞日報;2012年

2 山東雜文家 安立志;防止“正能量”被異化[N];南方日報;2013年

3 張弓;糾正對“正能量”的認(rèn)識誤區(qū)[N];寧波日報;2013年

4 早報評論員 沈彬;北京暴雨：“正能量”的溫暖互動[N];東方早報;2012年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 王毅泓;神經(jīng)能量編碼的計算理論及其在智力探索中的應(yīng)用[D];華東理工大學(xué);2017年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前4條

1 楊芳;環(huán)塔里大盆地地表風(fēng)能量流[D];四川師范大學(xué);2016年

2 謝婷;公共能量場視角下的地方政府環(huán)境治理之道[D];南昌大學(xué);2016年

3 戚亞紅;淺談繪畫藝術(shù)的能量場[D];中央美術(shù)學(xué)院;2012年

4 張璇;典型生產(chǎn)事故調(diào)查分析及事故能量機理初探[D];西安建筑科技大學(xué);2008年

，

本文編號：1333913