發(fā)布時(shí)間：2018-09-06 17:16

【摘要】： 生物學(xué)家Rosen說過：“從進(jìn)化的觀點(diǎn)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(xì)的組織結(jié)構(gòu),精密協(xié)調(diào)的控制機(jī)制更是“極其完美和復(fù)雜的”(達(dá)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(hào)最為重要的組織—視網(wǎng)膜。 很早之前,人們就已認(rèn)識(shí)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(xì)胞,每種細(xì)胞的數(shù)量和分布如何,則是隨著近幾年來解剖學(xué),電生理學(xué),細(xì)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(gè)高度逼真的視網(wǎng)膜計(jì)算模型,此模型不僅模擬了視網(wǎng)膜的多種細(xì)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(gè)信息處理通路。在模型基礎(chǔ)上可以設(shè)計(jì)很多實(shí)驗(yàn),比如視網(wǎng)膜物體檢測(cè)概率實(shí)驗(yàn),視網(wǎng)膜物體表征效率實(shí)驗(yàn),視網(wǎng)膜在多條件限定下(如準(zhǔn)確性,實(shí)時(shí)性,能耗,計(jì)算復(fù)雜度等)的均衡性分析實(shí)驗(yàn)等等。 有了這個(gè)高度逼真的視網(wǎng)膜計(jì)算模型,可以為當(dāng)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(jì)。人工視網(wǎng)膜因?yàn)槌叽缬邢?所以硬件復(fù)雜度不能太高；因?yàn)榘l(fā)熱問題,所以能耗不能太大；因?yàn)橐獫M足實(shí)時(shí)的反應(yīng)要求,所以信號(hào)處理需要快速且準(zhǔn)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(shí)所做的事情。研究視網(wǎng)膜在多條件下的平衡性質(zhì),對(duì)人工視網(wǎng)膜的設(shè)計(jì)具有巨大的指導(dǎo)意義。此模型也可用于實(shí)時(shí)的場(chǎng)景表征和圖像處理。視網(wǎng)膜將信號(hào)分為顏色,亮度,運(yùn)動(dòng)等不同的通路形成內(nèi)部表征再進(jìn)行進(jìn)一步處理,這在提高表征的效率的同時(shí)大幅降低了計(jì)算的復(fù)雜度,為實(shí)時(shí)圖像的表征和處理提供了一個(gè)新的方向。同時(shí),由于模型高度逼真于真實(shí)的視網(wǎng)膜,也可以進(jìn)行生理實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證生理上的假設(shè)和推測(cè),為生理學(xué),神經(jīng)科學(xué)提出新的問題和方向。如驗(yàn)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(shí)驗(yàn)等。 目前國(guó)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,大致分三類。第一類：面向神經(jīng)科學(xué)。第二類：面向計(jì)算機(jī)科學(xué)應(yīng)用。第三類：面向電子工程硬件實(shí)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(xì)節(jié)。總體上來說,當(dāng)前已有的視網(wǎng)膜模型與真實(shí)生理情況相比,不僅在細(xì)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(shí)的信息處理過程還有很大差距。在目前的情況下,利用已有的神經(jīng)生物學(xué)、解剖學(xué),電生理學(xué)等學(xué)科的數(shù)據(jù)和結(jié)果,建立一個(gè)高度逼真的視網(wǎng)膜計(jì)算模型,是一種有益的嘗試。
[Abstract]:Biologist Rosen said, "Physiological systems are the best Encyclopedia for solving complex problems from an evolutionary point of view." And the human eye, which marvels at the perfection of function, the complexity of fine tissue structure, and the precise coordination of control mechanisms, is "extremely perfect and complex" (Darwin), so to speak, the encyclopedia. Our work is inspired by the retina, the most important tissue in the eye that receives and processes signals.
The complexity of the retina has long been recognized, but the degree of complexity, the layers of the retina, the types of cells in each layer, and the number and distribution of each cell have gradually become clear with the development of anatomy, electrophysiology, and cytomorphology in recent years. A highly realistic retinal computational model was developed to simulate not only the cell types and distributions of the retina, but also the complex hierarchical connections and structures of the retina. The model was faithful to the physiological structure and processing process, and showed the multiple information processing pathways of the retina as a whole. Many experiments can be designed, such as the probability experiment of retinal object detection, the efficiency experiment of retinal object characterization, the equilibrium analysis experiment of retina under multi-conditions (such as accuracy, real-time, energy consumption, computational complexity, etc.).
With this high-fidelity retinal computing model, we can provide a solution to many difficult problems. For example, the design of Artificial Retinal chip. Signal processing requires fast and accurate processing. These constraints conflict with each other and are difficult to balance. But this work is what the retina usually does. The membrane divides the signal into color, brightness, motion and other channels to form internal representation, which greatly reduces the computational complexity while improving the efficiency of representation, and provides a new direction for real-time image representation and processing. Physiological experiments verify physiological hypotheses and presumptions, and propose new problems and directions for physiology and neuroscience, such as verifying information processing pathways, local circuits of neural networks, and even completing experiments that are not possible in vivo.
At present, there are some models to simulate the structure and function of the retina at home and abroad, which can be divided into three types according to their ultimate purpose and field. The first one is oriented to neuroscience. The second one is oriented to computer science applications. The third one is oriented to electronic engineering hardware implementation. In general, the existing retinal models are not only deficient in cell type and quantity, but also in functional and structural simulation of the retina. At present, it is a useful attempt to establish a highly realistic retinal computing model based on the data and results of neurobiology, anatomy, electrophysiology and other disciplines.
【學(xué)位授予單位】：復(fù)旦大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號(hào)】：R774.1

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