生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的模式涌現(xiàn)及信息傳輸能力研究.pdf

1、20世紀(jì)90年代以來(lái)，以Intemet為代表的信息技術(shù)的迅猛發(fā)展使人類(lèi)社會(huì)大步邁向了網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。從因特網(wǎng)到萬(wàn)維網(wǎng)，從大型電力網(wǎng)絡(luò)到全球交通網(wǎng)絡(luò)，從生物體中的大腦到各種新陳代謝網(wǎng)絡(luò)、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，從科研合作網(wǎng)絡(luò)到各種政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)等?？傊?dāng)今時(shí)代是一個(gè)網(wǎng)路時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)與人類(lèi)的生活息息相關(guān)，無(wú)處不在，并且表現(xiàn)形式紛繁蕪雜。
　　作為自然科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)引起了數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、信息、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等領(lǐng)域研究人員的關(guān)注。復(fù)

2、雜網(wǎng)絡(luò)所研究的內(nèi)容是各種看上去互不相同的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)之間的共性和處理它們的普適方法。
　　細(xì)胞通信網(wǎng)絡(luò)由于其使生物體不同組成部分協(xié)同合作、廣泛存在于所有生物之中而成為最復(fù)雜、最重要的網(wǎng)絡(luò)之一。毫無(wú)疑問(wèn)，在各類(lèi)細(xì)胞通信中最讓人感興趣的莫過(guò)于大腦細(xì)胞——神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。
　　揭示動(dòng)物和人類(lèi)的行為、感知的本質(zhì)原因一直以來(lái)是大腦研究的主要挑戰(zhàn)。研究人員認(rèn)為這些行為與神經(jīng)元的連接方式有關(guān)(神經(jīng)元間物理連接及神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))。
　　本

3、文簡(jiǎn)述了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的研究歷史、研究進(jìn)展、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、建立的模型性質(zhì)等，并將其應(yīng)用于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)研究中。利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)建模方法得到神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中不同模式神經(jīng)元的膜電勢(shì)對(duì)實(shí)際腦電波信號(hào)逼近，觀(guān)察在不同的模式數(shù)量及同模式神經(jīng)元數(shù)量在不同耦合強(qiáng)度下對(duì)測(cè)量大腦皮層腦電信號(hào)的逼近效果。模擬的結(jié)果顯示，只有當(dāng)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間處于相對(duì)很弱的耦合強(qiáng)度下才有可能模擬出真實(shí)的腦電波信號(hào)。此時(shí)的神經(jīng)元模式具有無(wú)限多的周期，可能對(duì)應(yīng)著大腦記憶模式及情感變化的多樣性

4、。這恰好滿(mǎn)足了2012年研究人員提出的在弱耦合網(wǎng)絡(luò)中普遍存在一種CAS(Collective Almost Synchronization)現(xiàn)象，即大部分神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)處于混沌狀態(tài)，小部分神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)處于周期狀態(tài)。如果大腦是以神經(jīng)元問(wèn)非常小的耦合強(qiáng)度形成非常多的可能記憶模式，那么CAS現(xiàn)象提供了一個(gè)可能的解釋。
　　在研究了大腦可能處于CAS模式的基礎(chǔ)上，分析了腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)處于不同耦合強(qiáng)度下具有的平均信息熵和互信息量情況，并分析了對(duì)于固