神经系统的简并性

【作者】 张宏； 方路平； 范影乐； 童勤业；

【机构】 浙江大学生物医学工程与仪器科学学院； 浙江工业大学信息工程学院； 杭州电子科技大学自动化学院生物医学工程系；

【摘要】 对于Edelman在《神经达尔文主义》中提出神经系统的简并性,本文讨论其在神经系统中存在的实际表现,从神经回路出发,具体分析了双耳定向神经回路的简并结构。从而对神经网络中的简并现象有一个具体的认识。(1)神经系统存在简并性的必要性分析:简并性是指不同结构的神经回路具有相同的功能。与电路系统采用相同的结构提高冗余度来实现高可靠性不同,神经系统不可能构造大量相同回路,只能靠简并来实现高可靠性,具有简并性神经回路不仅能提高可靠性,而且大大增加了脑的信息处理适应能力。神经系统在处理同一信息时进行简并,这是利用不同回路的共性,但这些回路还存在个性。在不同环境中可能有不同的要求,对于同一信号的处理目的不一样,也会有不同要求,神经系统处理能力在不同回路的个性中得到扩展,使神经系统能显著提高信息处理的适应能力。人脑的信息处理能力之所以远超计算机,简并性存在也许是关键之一。(2)神经网络中可能存在的简并性分析:由于不同功能要求其简并性方式不同,对应的网络结构也不同。本文只针对两耳定向进行简并性讨论。两耳定向是依据两耳接收到同一声源所发出的声音的时间差来定向的(ITD)。定向的(ITD)简并性回路采用多层结构,其中ni和n’i分别代表左(L)、右(R)耳的听神经感受细胞,其输入是模拟信号,输出是脉冲序列。假定输入同样的音频信号,所对应的输出的神经脉冲序列是相同的。只是在相位上n’i与ni输出存在差异,这些差异来自于两耳与声源的距离差。可据此相位差来判断方向。P、Q、H分别表示回路各层次的神经元。经计算机仿真验证,H层和D层都能反映两耳相位差。简并层D对H中各神经元输出进行简并。(3)Jeffress模型也是属于简并性模型的一部分:本文的简并性模型完全由理论推导得出,且其中包含了Jeffress模型。Jeffress模型是目前常用的权威性模型,且它有神经生物学基础。这也间接说明了简并性模型的生物学基础。有意思的是,同一结构的生物神经回路(定向的神经回路),却有两种不同的解释,一是J模型的解释,一是本文的简并模型的解释。采用本文的简并性结构,其仿真结果灵敏度和可靠性上远比J模型高,在灵敏度上更接近生物实验。更多还原