文档介绍：广西师范大学
硕士学位论文
复杂生物神经网络的兴奋特性与随机共振研究
姓名:吴雷
申请学位级别:硕士
专业:电路与系统
指导教师:罗晓曙
20080401
广西师范大学硕士学位论文
复杂生物神经网络的兴奋特性与随机共振研究
论文摘要
自 Watts 和他老师 Strogatz 提出复杂网络的小世界效应到现在,时间过去了十余年,
但是人们对复杂网络的研究热情却依旧未减。复杂网络的研究已经渗透到了许多领域,其
中生物神经网络的研究就是关注的焦点之一。在生命科学领域里,最让人激动的事情莫过
于对人自身的了解。如何理解人的行为方式?如何了解大脑的奥秘?这些看上去貌似简单
的问题,要回答起来却是十分困难的。我们现在知道,神经元是最基本的信号传递单位,
所以要想理解人类的任何行为的生理学基础,就必须从了解神经元的信号传递特征开始。
以此再上升到网络层次,如果我们了解了生物神经网络对信号的响应,那么就会更进一步
地帮助我们发现上述问题的一些端倪。
本文主要是探讨了生物神经网络对外界刺激信号的响应问题,主要的工作如下:
我们知道,神经元的兴奋是和神经元的电现象紧密相关的。研究生物神经网络的整体
兴奋特性是比较有意义的。并根据复杂网络理论,我们知道了真实世界中很多网络具有小
世界效应和无标度特性。我们便以此为基础,分别建立了具有这两种特征的复杂网络模型,
研究了这两种网络模型的兴奋特性,并研究了其中一种网络的随机共振现象。
第一,以 HH 方程为网络节点的动力学方程,我们建立一个小世界生物网络模型,并
引入了侧向抑制和生长与衰老机制,对该网络模型进行了数值模拟。结果表明处于生长阶
段模式下生物神经网络会对某个外界刺激频率表现出极度“不兴奋”,并且神经网络随着
外界刺激频率的增大出现饱和效应;同时神经网络的兴奋特性随着噪声强度和耦合强度的
强度增大而变得越来越“强”。而处于衰老阶段模式下的神经网络随着外界刺激频率的增
大也会出现饱和效应,但是神经网络兴奋特性随着噪声强度和耦合强度的强度增大而变得
越来越“弱”。
第二,我们建立了一个无标度生物网络模型,同样以 HH 方程为节点的动力学方程,
并引入了噪声对连接权值的影响。结果表明,该神经网络会对特定频率表现出“极度不兴
奋”或“极度兴奋”两种现象;并且,也注意到随着外界刺激频率的增大会出现饱和效应;
噪声强度的增大对网络会出现抑制效应,而耦合强度的增大会使整个网络的兴奋水平更
强。
第三,复杂生物网络存在的随机共振现象可以用于提高网络对外界微弱信号的检测能
力。为此我们利用上述提到的无标度生物网络模型来研究其随机共振。数值结果表明,(1)
可变权值的神经网络比不变权值的神经网络检测微弱信号的能力强。(2)对于可变权值的
神经网络,当耦合强度一定时,当噪声强度增大时,网络的规模对微弱信号的检测能力逐
I
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步趋于一致;当噪声强度一定时,网络的规模大到一定程度时对耦合强度的匹配范围达到
最大。(3)对于特定网络结构参数,非线性系统对微弱信号存在一个较优的检测范围。
关键词: 小世界网络无标度网络兴奋特性随机共振
II
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Study on Excitement Characteristics and Stochastic Resonance of
Complex Biological works
Abstract
It has passed more than 10 years that Watts and his tutor Strogatz proposed the small
work effects. However, people's enthusiasm of work has
not been abated. The research work has been involved in various fields, in
which research on biological work is one of the focuses of attention. In the life
sciences field, the most exciting thing is to understanding people themselves. The questions
that how to