FitzHugh-Nagumo神经元网络的联想记忆与分割.pdfVIP

计 算 物 理 第22卷第4期 v01．22．N0．4 2005年7月 cHINEsEJouRNALoFcoMPUTA-110NALPHYsIcs Jlll．j2005 [文章编号] 1001．246x(2005)04．0337．07 彭建华， 于洪洁， 刘延柱 (上海交通大学力学系，上海200240) [摘 要】 网络的记忆(或模式)存储与时间分割问题．给定一个输入模式，它是几种模式的叠加，网络能够以一部分神 经元同步发放的形式一个接一个地分割出每一种模式．如果输入的模式有缺损，系统能够把它们恢复成原型， 即神经网络的联想记忆功能．模拟需要调节耦合强度和噪声强度等参数使得网络在特定的参数值和中等强度噪 声达到最优的时间分割，与广泛讨论的随机共振现象一致． 【关键词】 FitzHugh．NagI瑚o；空时模式；神经元；联想记忆；随机共振；同步；分割 【中图分类号】 N93；Q6；023 [文献标识码】 A 0 引言 在神经科学领域中信息编码问题已被研究很长时间了，尽管周知神经元是通过位电势传递信号的，但是 神经元的编码问题仍未完全清楚．最近关于平均发放率编码和精确的时间编码的争论引起了广泛兴趣，神经 元活动的时间域编码在很多方面得到实验支持并受到重视．最近提出了以脉冲放电的精确时间来编码外部 世界的信息以及以自涌动态神经元集群来表达知识和事件．这在“神经网络和脑”领域中，可能意味着在观 念上的突破和深化．因为至今几乎所有的人工神经网络模型都是从假设发放速率是输入信号求和后的s型 函数开始的…．对视觉皮层内神经元的同步振荡行为的观察表明，神经元的同步振荡在信息加工中起到了重 要的作用，普遍认为神经元活动的同步形态对记忆、计算、运动控制、甚至一些疾病如癫痫等起着重要的作 and 用，是联想记忆机制、图像分割与绑定(segmentationbi础ng)等功能的重要侯选者．同步在脑活动中的作用 还远没有清楚，还需大量的实验与理论研究．编码某一共同特征，或某一共同的被感知的物体，神经元集群可 能是通过其构成的神经元反应的时间的一致性(temporal 彼此之间的、并行的和相互作用的自组织过程的结果口“2。．本文不但考虑神经元同步发放的空间分布，还考 虑神经元集群同步的精细时间结构，即持空时模式(spatiotemp．0ralp甜em)编码的观点． Be眦i[131在解释地球冰河期问题时第一次注意到噪声的作用，在一定噪声强度下信噪比急速增大并出现 峰值的现象称为随机共振．在许多文献中都研究了随机共振的现象，例如在schInitt电子触发器、双向环形激 光器等系统中都被观察到．Lon鲥n等¨4’151认为，在神经生物学中随机共振是非常重要的，因为它有助于我们 理解感觉神经系统编码信息过程中噪声的影响．在神经系统中，适当强度的噪声将使神经元的平均发放率与 输入强度之间有一个线性的关系，即使输出与输入线性化，减少非线性系统输出对输入的非线性失真．当周 期或非周期信号强度低于阈值时，如果没有噪声的存在，神经元将没有发放，神经系统无法工作，由于噪声的 存在，神经系统才可以检测到微弱的输人信号，使输出的平均发放率正比于输入微弱信号的强度．由此可见 噪声的重要性，因为往往末稍神经接收的外界信号传到脑神经系统时已经很弱了．在生理学的环境中神经元 的活动有几种随机性，比如热噪声、突触的随机特性等，因此噪声的效果不可忽略． 联想记忆是记忆编码和检索的很成功的一个模型，用神经元之间连接的突触权值编码记忆的数据，记忆 被看作神经网络活动模式，此活动可能是静止的也可能是振荡的．传统联想记忆的缺点之一是它降低了普遍 性能力，实际的模式都是很复杂的，由多样的子模式组成，这些子模式可能以前出现过，这次是以不同的排列 [收稿日期】2004一03—24；[修回日期】2004—11—22 [基金项目】国家自然科学基金(10272cr74)资助项目 [作者简介】彭建华(1965一)，男，江西，副教授，博士，从事非线性动力学及脑科学方面的研究，上海交通大学力学系200240． 万方数据万方数据 338 计