初级视皮层计算模型构建及其高阶功能探索

论文摘要

经历上千年的进化,生理系统的精密复杂程度达到了一个令人无法想象的高度,无论从功能,组织结构,或者控制机制,都能发现令人叹为观止的“新大陆”。它就像一座无穷无尽的宝藏,人类解决许多问题的过程都曾经或正在从中借鉴、学习。人类的生活中,仿生研究及应用可以说无处不在。本文的研究工作选取了人类身体中最为完美,最为精密,最为复杂的视觉系统中的一部分进行探索,并将关注点置于初级视皮层的功能与结构。从视网膜到外膝体、从外膝体到初级视皮层、从初级视皮层到之后的高级皮层区,随着人类对于视觉系统的认识逐步加深,视觉的主要功能分区也逐渐为人所熟悉,如：视网膜负责接收外界信号刺激,外膝体具有弱方位敏感性、负责视网膜与皮层间的信号传递等。经过数十年、来自各个领域学者的研究,虽然初级视皮层中还有一部分内容不为人类所知,但它是现今人类最为了解的大脑视觉功能区。可以说人类对于视觉系统学习过程,较大程度上依赖于生理学及解剖学等学科的研究成果,人们从对初级视皮层无数的实验中获得了大量数据。本文工作以这些数据为基础,建立了一个忠于生物本质的初级视皮层(早期视觉系统)计算模型,相较于单个细胞的分布或连接,该模型更关注初级视皮层中复杂结构层次和信息处理通路等信息,特别是初级视皮层中的方位功能柱是本研究重要内容。在该模型的基础上,设计得到的实验如初级视皮层方位功能柱检测正确性,初级视皮层方位功能柱能耗检测等试验更好地印证了模型的有效性与可靠性。同时依靠本模型,能够更有效地对于来自前端的信息进行分析,同时可以在此基础上对视皮层中的高阶功能进行进一步探索。由于初级视皮层对于各类静态信息,运动信息有着强大的信息并行处理能力以及对信息的重组加工机制,所以在模型的功能可移植性上进行进一步探索也是研究工作的一部分。该早期视觉系统计算模型,可以为许多令人困扰的应用问题提供一些思路。比如受损早期视觉系统的修复,某一个视觉功能的缺失,任何一部分出现问题的可能性都存在。可以尝试在模型系统中模拟寻找问题的本源,做一些在活体上难以进行的实验。且现在某些实验室开始人工视皮层的设计,它要与原本的皮层能够兼容工作、能够迅速处理各类信息,同时能耗要在合理范围等。模型对于怎样平衡这些互相冲突的条件,寻找一个最合理的设计方案有一定的帮助。国内外已有的一些模拟视皮层结构与功能的模型按照模型应用方向可以分为：面向神经科学,面向计算机科学,面向电子工程硬件实现。这些模型或局限于某种神经结构或者单个特性,或仅仅用到一些视皮层的框架结构跳过生物基础的信息加工过程。总的来说,这些模型在视皮层的功能和结构模拟上的工作并不充分,所以依据最基础的功能特性还原神经生物学、解剖学,电生理学这些基础学科中得到的本质连接结构所建立的初级视皮层计算模型是有意义的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究意义
• 1.2 国内外研究情况综述
• 1.3 本文工作
• 第二章 背景知识与生理依据
• 2.1 早期视觉系统简介及视皮层基本结构
• 2.2 视网膜水平层次结构简介
• 2.2.1 眼与视网膜基本结构
• 2.2.2 光感受器细胞
• 2.2.3 水平细胞
• 2.2.4 双极细胞
• 2.2.5 无长足细胞
• 2.2.6 神经节细胞
• 2.2.7 视网膜各层结构在信息处理中的作用
• 2.3 外膝体基本结构
• 2.4 初级视皮层结构简介
• 2.5 早期视觉系统通路结构简介
• 2.5.1 视锥细胞通路与视杆细胞通路
• 2.5.2 On与off通路
• 2.5.3 P通路与M通路
• 2.5.4 色彩通路
• 2.5.5 细胞汇聚度
• 2.5.6 视觉系统中各并行通路在信息处理中的作用
• 第三章 计算模型设计与实现
• 3.1 早期视觉系统模型
• 3.2 视网膜、外膝体层的模拟
• 3.2.1 中心周边拮抗机制
• 3.2.2 神经节细胞
• 3.2.3 细胞域电位值的确定过程
• 3.3 方位柱的模拟实现
• 3.4 颜色通道的模拟实现
• 第四章 实验系统设计与分析
• 4.1 计算模型的设计验证
• 4.1.1 自组织网络
• 4.1.2 具自组织特性的竞争网络
• 4.1.3 初级视皮层功能柱的生长策略
• 4.2 过程与结果的验证
• 4.2.1 方位特征地图
• 4.2.2 简单样本输入实验
• 4.2.3 方位柱与朝向片
• 4.2.4 朝向片的疏密分布实验
• 4.2.5 皮层"风车"实验
• 4.3 高阶功能探索实验
• 第五章 讨论
• 参考文献
• 致谢