基于神经编码的生物回声定位研究
发布时间：2019-11-15 11:47
【摘要】：蝙蝠等动物的神经系统能完成回声定位,从而确定障碍物方位。为了研究神经系统的实现过程,以单个神经元的信息编码为基础,从Izhikevich神经元模型出发,将经过神经元模型作用后得到的神经脉冲序列,经过圆映射理论和符号动力学分析,转换成符号序列。通过分析输入两耳的有相位差的脉冲与输出的符号序列之间的关系,从而得到生物回声定位的机理。
【图文】：
时间参考）Fig.1Circlemap(outputspikesequenceisδi,,inputspikesequenceisriandasareference)这里以方波作为输入信号，作用于Izhikevich神经元模型，得到如图2所示一串不规则的输出脉冲序列。将输出的脉冲序列根据上面介绍的圆映射方法处理，得到θn和θn+1之间的关系，如图3所示。可以看出经过Izhikevich模型作用后输出脉冲的圆映射是一个非常好的“良序”映射，这也符合H-H模型的圆映射的规律。虽然这两个模型的圆映射曲线有所不同，但是我们关心的是函数曲线的单调性而不是具体的形状。图2输出脉冲序列随输入脉冲变化图Fig.2Therelationshipbetweeninputspikesequenceandoutputspikesequence图3输入脉冲周期为5.0ms时，神经元输出的圆映射图。图中取相对坐标σ=θiτ，其中τ为输入信号周期（图中的小圆点是在计算时的初值点）Fig.3Circlemapdiagramoftheneuronfiringwithinputspikefrequencyτ=5.0ms.Relativecoordinatesareusedandσ=θiτ(Thedotindicatestheinitialvalue)1.3符号动力学分析经过Izhikevich模型后输出的脉冲序列的圆映射是一良序映射，可以取出相应的符号序列。因为符号序列的排序更简单。根据文献[2]中描述取符号的方法具体如下：有一串不规则的输出脉冲序列η=δ0δ1δ2δi（6）按以下规则取符号：傅晓婕等.基于神经编码的生物回声定位研究119
鈏械拇鄌ニ俣却蟾盼?40m/s，如果声音频率为1000Hz，那么波长周期为0.34m，而一般动物双耳间距离在2~30cm之间，就是说声波到达两耳间距在一个波长之内，也就是在一个周期之内。这样就把回声定位中到达两耳之间的时间差转换成了相位差。如障碍物在两耳的正中间，那么反射波到达两耳的相位差就为零。现在我们用计算机来模拟生物声纳系统的回声定位功能，如图4所示。当障碍物反射回来的声波到达左右两耳时，两耳分别接收到一串由声音产生的脉冲序列L和R，L和R刺激神经元Neuron，，使神经元产生一个响应输出脉冲C。图2输入信号是具有相位差的两串脉冲序列的神经系统Fig.2Neuralsystemcomputingthephasedifferenceoftwospikesequence由于两耳听到的声音来自同一声源，所以L和R的输入脉冲序列是相同的，但是它们之间存在相位差。如果相位差为零，则表示声源来自正前方。当L和R的相位差发生变化时，输出脉冲C也会产生变化，这样就可以根据输出脉冲C的信息来判断输入两脉冲的相位差。这里采用Izhikevich模型来模拟生物神经元，输入脉冲分别考虑单频和变频两种情况。2.1输入脉冲为单频率假设输入脉冲L和R是等周期的脉冲序列，当输入脉冲频率不变，相位差变化时，将输出的脉冲序列转成符号序列，观察与相位差之间的变化关系。相位差σ=2π(Δt/τ)，其中Δt为两串输入脉冲L和R实际的时间差，τ是输入脉冲周期。（1）两串等周期的输入脉冲L、R的周期T为1.6ms，即频率为625Hz。相位差σ取不同值时，将输出脉冲取符号序列得到表1。（2）两串等周期的输入脉冲L、R的周期T为3.0ms，相位差σ取不同值时的情况如表2。以上实验数据表明，当输入脉冲周期不变时，随着两输入脉冲相位差σ增大，输出脉冲的符号序列
本文编号：2561300
【图文】：
时间参考）Fig.1Circlemap(outputspikesequenceisδi,,inputspikesequenceisriandasareference)这里以方波作为输入信号，作用于Izhikevich神经元模型，得到如图2所示一串不规则的输出脉冲序列。将输出的脉冲序列根据上面介绍的圆映射方法处理，得到θn和θn+1之间的关系，如图3所示。可以看出经过Izhikevich模型作用后输出脉冲的圆映射是一个非常好的“良序”映射，这也符合H-H模型的圆映射的规律。虽然这两个模型的圆映射曲线有所不同，但是我们关心的是函数曲线的单调性而不是具体的形状。图2输出脉冲序列随输入脉冲变化图Fig.2Therelationshipbetweeninputspikesequenceandoutputspikesequence图3输入脉冲周期为5.0ms时，神经元输出的圆映射图。图中取相对坐标σ=θiτ，其中τ为输入信号周期（图中的小圆点是在计算时的初值点）Fig.3Circlemapdiagramoftheneuronfiringwithinputspikefrequencyτ=5.0ms.Relativecoordinatesareusedandσ=θiτ(Thedotindicatestheinitialvalue)1.3符号动力学分析经过Izhikevich模型后输出的脉冲序列的圆映射是一良序映射，可以取出相应的符号序列。因为符号序列的排序更简单。根据文献[2]中描述取符号的方法具体如下：有一串不规则的输出脉冲序列η=δ0δ1δ2δi（6）按以下规则取符号：傅晓婕等.基于神经编码的生物回声定位研究119
鈏械拇鄌ニ俣却蟾盼?40m/s，如果声音频率为1000Hz，那么波长周期为0.34m，而一般动物双耳间距离在2~30cm之间，就是说声波到达两耳间距在一个波长之内，也就是在一个周期之内。这样就把回声定位中到达两耳之间的时间差转换成了相位差。如障碍物在两耳的正中间，那么反射波到达两耳的相位差就为零。现在我们用计算机来模拟生物声纳系统的回声定位功能，如图4所示。当障碍物反射回来的声波到达左右两耳时，两耳分别接收到一串由声音产生的脉冲序列L和R，L和R刺激神经元Neuron，，使神经元产生一个响应输出脉冲C。图2输入信号是具有相位差的两串脉冲序列的神经系统Fig.2Neuralsystemcomputingthephasedifferenceoftwospikesequence由于两耳听到的声音来自同一声源，所以L和R的输入脉冲序列是相同的，但是它们之间存在相位差。如果相位差为零，则表示声源来自正前方。当L和R的相位差发生变化时，输出脉冲C也会产生变化，这样就可以根据输出脉冲C的信息来判断输入两脉冲的相位差。这里采用Izhikevich模型来模拟生物神经元，输入脉冲分别考虑单频和变频两种情况。2.1输入脉冲为单频率假设输入脉冲L和R是等周期的脉冲序列，当输入脉冲频率不变，相位差变化时，将输出的脉冲序列转成符号序列，观察与相位差之间的变化关系。相位差σ=2π(Δt/τ)，其中Δt为两串输入脉冲L和R实际的时间差，τ是输入脉冲周期。（1）两串等周期的输入脉冲L、R的周期T为1.6ms，即频率为625Hz。相位差σ取不同值时，将输出脉冲取符号序列得到表1。（2）两串等周期的输入脉冲L、R的周期T为3.0ms，相位差σ取不同值时的情况如表2。以上实验数据表明，当输入脉冲周期不变时，随着两输入脉冲相位差σ增大，输出脉冲的符号序列
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