本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種神經(jīng)元振蕩器，即Lee振蕩器(Lee-oscillator)，該Lee振蕩器包括興奮神經(jīng)元和抑制神經(jīng)元，該興奮神經(jīng)元接收來自該抑制神經(jīng)元的抑制性信號，而該抑制神經(jīng)元接收來自該興奮神經(jīng)元的興奮性信號，且所述興奮神經(jīng)元和所述抑制神經(jīng)元各自存在興奮性自反饋，該神經(jīng)元振蕩器還包括輸入神經(jīng)元和輸出神經(jīng)元，該輸出神經(jīng)元接收來自該輸入神經(jīng)元的興奮性信號、來自所述興奮神經(jīng)元的興奮性信號以及來自所述抑制神經(jīng)元的抑制性信號，所述輸入神經(jīng)元和所述興奮神經(jīng)元分別接收外部輸入刺激。本發(fā)明專利技術(shù)的Lee振蕩器具有神經(jīng)動力學(xué)的連續(xù)性，提供從混沌動力學(xué)到非混沌動力學(xué)真正的漸變。本發(fā)明專利技術(shù)還提供了一種基于該Lee振蕩器的瞬時混沌自聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種神經(jīng)元振蕩器以及基于這種神經(jīng)元振蕩器的混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，更具體而言，涉及Lee振蕩器(Lee-oscillator)以及基于Lee振蕩器的瞬時混沌自聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)。
技術(shù)介紹
生物神經(jīng)元振蕩器是指能夠產(chǎn)生振蕩行為的活體組織，它們往往由相互耦合的大量神經(jīng)元細(xì)胞構(gòu)成。為了建立生物神經(jīng)元振蕩器的數(shù)學(xué)模型，提出了以少量人工神經(jīng)元構(gòu)成的人工神經(jīng)元振蕩器(下文中簡稱為神經(jīng)元振蕩器)以模擬相似功能，進(jìn)而由神經(jīng)元振蕩器構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。 在過去幾十年當(dāng)中，對于各種不同應(yīng)用環(huán)境，包括從簡單的突觸記憶編碼問題到復(fù)雜的模式識別問題如場景分析和前景背景分割，從作為記憶緩沖器的簡單突觸到復(fù)雜的天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)，都廣泛采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。此外，目前關(guān)于神經(jīng)科學(xué)和生理學(xué)的研究已經(jīng)指出，在典型的場景分割問題上，時間(或者本文中所謂的“瞬時”)非線性神經(jīng)動力學(xué)和振蕩很大程度上涉及人的主要感官(例如視覺、嗅覺等等)。Aihara等人和Wang對關(guān)于模式聯(lián)想的混沌神經(jīng)元振蕩器進(jìn)行了很多研究工作M ，而且Wang對Wang振蕩器(Wang-oscillator)進(jìn)行了很多研究。關(guān)于神經(jīng)科學(xué)和計(jì)算神經(jīng)生物學(xué)的最新研究已經(jīng)指出，人的主要感官(包括視覺和嗅覺)在模式表達(dá)、處理和識別方面很大程度上以時空方式工作，而不僅僅以空間方式工作 _。如von der Malsburg等人所開發(fā)的著名的相關(guān)理論中所述，所有用于模式聯(lián)想和識別的視覺系統(tǒng)可通過腦中神經(jīng)元之間的時間相關(guān)實(shí)現(xiàn)，后來，在用于記憶聯(lián)想的動態(tài)聯(lián)結(jié)體系(DLA) 中考慮了該相關(guān)理論。實(shí)際上，時空記憶編碼理論已從各種生理學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)中得到很多支持，這些實(shí)驗(yàn)包括對貓視覺皮層區(qū)域和嗅覺系統(tǒng)的非線性動力學(xué)研究，其中，嗅覺系統(tǒng)通過以振蕩方式改變其神經(jīng)動力學(xué)來對刺激進(jìn)行編碼和處理，而不是通過以狀態(tài)模式呈現(xiàn)神經(jīng)動力學(xué)來對刺激進(jìn)行編碼和處理?；谠撓嚓P(guān)理論的最新進(jìn)展和研究包括對用于感覺分割、面部和手勢識別的耦合神經(jīng)元振蕩器的研究;以及用于復(fù)合場景分析和監(jiān)視系統(tǒng)的復(fù)合神經(jīng)元振蕩器。此外，關(guān)于這些時空神經(jīng)元編碼信息處理系統(tǒng)，對腦科學(xué)和生理學(xué)的最新研究指出，在這些非線性動態(tài)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了確定性混沌模式，例如包括嗅覺系統(tǒng)中的混沌Electroencephalogram(EEG)模式;魷魚巨軸突中的混沛振蕩和分盆;加利福尼亞龍蝦幽門中樞模式發(fā)生器(CPG)中的混沌神經(jīng)元;以及腦機(jī)能中的各種混沌現(xiàn)象,以及在感受Ι/f音樂期間EEG的混沌動力學(xué)。W. J. Freeman 教授在其自己的腦科學(xué)著作《How Brains Make Up Their Minds ))中得出結(jié)論“大腦的很多其他部分具有混沌吸引子和多個翼，且它們的EEG的穩(wěn)定性表明它們極其健壯。混沌動力學(xué)提供具有理想特性的基礎(chǔ)狀態(tài)，......，混沌產(chǎn)生用于創(chuàng)造新的嘗試錯誤法學(xué)習(xí)和用于在吸收新刺激時創(chuàng)建新的盆而所需的無序”。根據(jù)這一有挑戰(zhàn)性的神經(jīng)科學(xué)理論，研究人員提出了各種混沌神經(jīng)元模型來模擬這些混沌神經(jīng)現(xiàn)象]。但是，大多數(shù)這些基于Hodgkin和Huxley或Wilson和Cowante5]的種子模型的混沌神經(jīng)元模型太復(fù)雜而無法用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，或者太簡化而無法重現(xiàn)令人滿意的混沌現(xiàn)象 。混沌神經(jīng)元振蕩器概述經(jīng)典的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)由模擬生物神經(jīng)活動的簡單的人工神經(jīng)元構(gòu)成。神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)生理學(xué)的最新研究對諸如海馬的機(jī)能特點(diǎn)龍蝦的幽門中樞模式發(fā)生器和其它腦活動等問題進(jìn)行了分析，并相應(yīng)建立了神經(jīng)元模型。但是很多研究為復(fù)雜神經(jīng)元行為中的混沌神經(jīng)活動提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，因此這些類型的神經(jīng)元模型由于與理想神經(jīng)元模型相比太過簡單而遭到很多批評。在過去幾十年中，提出了很多不同的混沌神經(jīng)元模型。最新的研究包括由Falcke等人提出的混沌振蕩器，用于對幽門中樞模式發(fā)生器進(jìn)行建模；由Hoshine等人提出的皮層網(wǎng)絡(luò)，用于回憶長期記憶(LTM);由Chen和Aihara提出的瞬時混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(TCNN) ，用于處理組合優(yōu)化問題；Wang振蕩器 M，用于時空信息處理；以及基于混沌退火技術(shù)的研究(Zhou等人M)，用于動態(tài)模式恢復(fù)。從系統(tǒng)架構(gòu)角度而言,大多數(shù)混沛神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型基于從Hodgkin和Huxley于1952年提出的理論研究發(fā)展而來的計(jì)算神經(jīng)科學(xué)模型。這些計(jì)算神經(jīng)科學(xué)模型聚焦于脈沖神經(jīng)動態(tài)行為，最新的理論進(jìn)展包括Fukai等人 和Aihara等人 的研究工作。神經(jīng)科學(xué)的另一主要分支聚焦于神經(jīng)元集群的行為，其中著名的模型包括由Wilson和Cowan于1972年提出的神經(jīng)元振蕩模型，Wilson和Cowan將神經(jīng)元的行為描述為興奮神經(jīng)元和抑制神經(jīng)元之間的交互式觸發(fā)(也稱為“振蕩”)。實(shí)際上，Wilson和Cowan的理論為不同領(lǐng)域(包括神經(jīng)生理學(xué)領(lǐng)域、神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域)中進(jìn)行的研究工作和腦科學(xué)的最新研究 提供了大力支持。該理論還作為認(rèn)知信息處理領(lǐng)域中M _關(guān)于神經(jīng)元振蕩器的同步和失調(diào)行為的很多后續(xù)研究和模型的基礎(chǔ)。最近的應(yīng)用包括模式和記憶聯(lián)想 、場景分析和模式識別M M] 。但是，基于這些著名模型(包括Hodgkin-Huxley模型、FitzHugh-Nagumo模型、WiIson-Cowan模型，以及以上模型的派生模型)提出的模型要么太簡化而無法模擬任何“真實(shí)”的混沌神經(jīng)元行為，要么太復(fù)雜而無法采用作為實(shí)際可行的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。下面以Wang振蕩器為例，簡要說明現(xiàn)有振蕩器的缺陷。Wang振蕩器的主要問題例如在于無法作為有效的分岔傳遞單元(BTU)用于動態(tài)記憶編碼和模式聯(lián)想。下面通過描述Wang振蕩器的體系結(jié)構(gòu)、其混沌神經(jīng)動力學(xué)和作為BTU用于時間信息編碼的構(gòu)思，說明該問題。從Wilson-Cowan模型演變而來的大多數(shù)現(xiàn)有神經(jīng)元振蕩器聚焦于時間連續(xù)框架。X. Wang在1991-1992年提出了簡單的時間離散神經(jīng)元振蕩器模型(稱為Wang振蕩器)。與其它時間連續(xù)的模型不同，Wang振蕩器提供了從固定點(diǎn)(通過準(zhǔn)周期)到混沌的簡單但顯著的神經(jīng)動力學(xué)，如Wang振蕩器的分岔圖中所示。Wang振蕩器的該分岔圖可使其用作計(jì)算元件BTU，用于時間信息處理。附圖說明圖1示出Wang振蕩器的結(jié)構(gòu)示意圖。簡而言之，Wang振蕩器包括兩個神經(jīng)元，SP興奮神經(jīng)元U和抑制神經(jīng)元V，神經(jīng)元U和V之間存在興奮性耦合和抑制性耦合，且興奮神經(jīng)元U自身存在興奮性自反饋，抑制神經(jīng)元V自身存在抑制性自反饋。例如，抑制神經(jīng)元V對興奮神經(jīng)元U存在抑制性耦合，向興奮神經(jīng)元U提供抑制信號，該抑制信號的傳遞權(quán)重參數(shù)為Wuv ;興奮神經(jīng)元U對抑制神經(jīng)元V存在興奮性耦合，向抑制神經(jīng)元V提供興奮信號，該興奮信號的傳遞權(quán)重參數(shù)為Wvu ;興奮性自反饋和抑制性自反饋的權(quán)重參數(shù)分別為Wuu和wvv。興奮性神經(jīng)元u和抑制性神經(jīng)元V分別接收外部輸入刺激Iu和Iv。興奮神經(jīng)元和抑制神經(jīng)元的廣義神經(jīng)動力學(xué)可分別通過以下公式(I)和(2)給出u (t+1) = f (wuuu (t) -WuvV (t) +Iu(t) - Θ u) (I)V (t+1) = f (wTOu (t) -WvvV (t) +Iv (t) - Θ v) (2)其中，u(t)和v(t)分別表示時間t時興奮神經(jīng)本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種神經(jīng)元振蕩器，包括興奮神經(jīng)元和抑制神經(jīng)元，該興奮神經(jīng)元接收來自該抑制神經(jīng)元的抑制性信號，而該抑制神經(jīng)元接收來自該興奮神經(jīng)元的興奮性信號，且所述興奮神經(jīng)元和所述抑制神經(jīng)元各自存在興奮性自反饋，其特征在于，該神經(jīng)元振蕩器還包括輸入神經(jīng)元和輸出神經(jīng)元，該輸出神經(jīng)元接收來自該輸入神經(jīng)元的興奮性信號、來自所述興奮神經(jīng)元的興奮性信號以及來自所述抑制神經(jīng)元的抑制性信號，所述輸入神經(jīng)元和所述興奮神經(jīng)元分別接收外部輸入刺激。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李樹德，
申請(專利權(quán))人：李樹德，
類型：發(fā)明
國別省市：
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