复杂网络上神经元系统对刺激的响应

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神经网络对刺激的响应是脑的功能和结构研究中非常重要的问题。神经网络系统中不同区域之间的通讯依赖于局域网络对输入信号的响应;网络的结构对于网络上的动力学过程会产生深刻影响。本文分别研究了在全局耦合网络和无标度网络上神经元群对刺激的响应,探讨所产生的编码行为与触发率、突触兴奋程度和网络结构的关系。一.研究了全局耦合H-H神经元网络对动作电位刺激的响应。全局耦合神经元网络对周期动作电位刺激的响应表现为集体振荡行为,神经元群体的振荡模式构成了对刺激的时空编码。在适当的条件下,网络的输出能够很好保持输入信号的特征。其中兴奋突触比例表现出阈值特征,在阈值以上未受刺激神经元表现出锁频振荡。该阈值随着触发率的增大产生先降后升的非单调变化。触发率的增大缩小了受刺激与未受刺激神经元群振荡频率的差异,从而产生这两类神经元群对刺激的整体响应。输入输出时间间隔的依赖关系表明全局耦合神经元网络的不应期大于单个神经元的不应期。锁频的最小输入时间间隔随触发率的增大而减小,随兴奋突触比例的增大呈先降后升的非单调变化。未受刺激神经元群的平均活性分别随触发率、兴奋突触比例的增大而增大,到一定值出现饱和现象。未受刺激神经元群的活性同步程度随兴奋突触比例的增大而先降后升地非单调变化。从未受刺激神经元群的1:1锁频的最小输出时间间隔、平均活性和活性同步程度三个方面综合分析,兴奋突触与抑制突触均衡最有利于信号的编码和传播。二.研究了具有无标度属性的神经元网络对刺激的响应。所出现的神经元群的锁频振荡、兴奋突触比例的阈值特性等与全局耦合神经元网络有类似的性质。在下列方面反映出网络结构对响应行为有明显影响:无标度神经元网络存在平均度的阈值行为,在阈值以上未受刺激神经元表现出锁频振荡。该阈值随兴奋突触比例的增大而减小。当突触全部处于兴奋的状态时,全局耦合网络中未受刺激神经元群可以实现精确时刻编码,而无标度网络中未受刺激神经元群也只能出现部分神经元精确时刻编码。无标度网络出现1:1锁频振荡需要比全局耦合网络更大的兴奋突触比例和触发率。触发率、兴奋突触比例和网络平均度的增大,都促进未受刺激神经元群中更多的神经元参与编码,使神经元群的平均活性增大。无标度网络的活性同步程度在不同的参数范围内可高于或低于全局耦合网络的同步程度。此外,关于无标度Hopfield神经网络模式识别的问题,研究了网络尺度的影响。发现在模型的储存模式的数目P与网络尺度N的比值P/N<1/10的条件下,网络对受污模式做出响应达到稳态后,这个模式与原模式的重叠(overlap)随网络平均度变化的规律与网络尺度无关,并且模式重叠与每个新增节点的连接度m和储存模式的数目的比值m/P满足S型曲线。
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