程瑤

[摘 要]人類互相溝通交流以語言表達，聽覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在聽音辨物方面具有獨特的優(yōu)越性，通過模擬生物大腦的結(jié)構(gòu)和功能構(gòu)成信息處理系統(tǒng)，并模擬人腦信息處理的功能，以來分子通信建立通信網(wǎng)絡(luò)。本文就聽覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分子通信模型進行了研究。

[關(guān)鍵詞]聽覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);神經(jīng)系統(tǒng);分子通信

[中圖分類號]TP183 [文獻標識碼]A

引言：人的聽覺系統(tǒng)具有良好的抗噪音和識別的能力，在較為復(fù)雜的環(huán)境中人與人之間的語音交流能夠不受到周邊噪音的影響。這種聽覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特受到多學者的重視，通過對神經(jīng)元及網(wǎng)絡(luò)的研究，應(yīng)用到分子通道建設(shè)過程中，搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、合理的計算進行分析研究，提升學習能力，為人工智能發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

1 聽覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和分子通信特點

人類能夠進行高級認知功能，需要聽覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠完成信息收集、傳到及整合信號為大腦快速服務(wù)。聽覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的放點活動以神經(jīng)元產(chǎn)生和傳輸電脈沖串的過程，通過對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分析，迅速推進細胞核分子信道研究，需要進行多學科不同方向的進行綜合性研究，促進計算機、醫(yī)學、神經(jīng)科學等多方面眾多領(lǐng)域快速發(fā)展。

1.1 聽覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人耳的生理結(jié)構(gòu)和聽覺具有獨特的音頻信號處理能力，入耳聽覺神經(jīng)系統(tǒng)各部分具有獨特的生理結(jié)構(gòu)，并在聲音識別過程中發(fā)揮著不同的功能。人的聽覺器官是一個精密的機械振動系統(tǒng)，神經(jīng)系統(tǒng)具有感受、傳輸、分析和處理聲音信息的功能，且參數(shù)跨度范圍廣泛，能夠識別20Hz到20kHz的聲音頻域，1000倍的上下頻率相差，具有十分靈敏和精確的分辨率。通過人耳幾千個感受細胞向神經(jīng)通道傳輸信息，且在聲音變化過程提取有用的信息，且信息的載體并不是聲音的本身而是聲域的變化，聽覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特點能夠為神經(jīng)科學、信息科學以及人工職能、通信工程和信號處理等眾多領(lǐng)域進行深入研究。

1.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分子通信特點

美國學者Hecht Nielsen提出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由多個簡單處理單元，彼此按照某種方式相互聯(lián)系，形成計算系統(tǒng)，依靠其狀態(tài)對外部輸入信息的動態(tài)響應(yīng)來處理信息。神經(jīng)系統(tǒng)模仿腦細胞結(jié)構(gòu)和功能、腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)和思維處理問題等功能的新型信息處理系統(tǒng)，并具有兩個較為明顯的特點，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從環(huán)境中學習獲得知識，另外還可通過增強神經(jīng)元之間的相互連接作用以存儲所學知識。深入到聽覺神經(jīng)系統(tǒng)的分子通信研究中，通過分析人的聽覺特性，運用特殊的音頻信號處理，建立符合聽覺系統(tǒng)的模型，提升分子通信效率。分子通信中的信息以分子的物理或者化學性質(zhì)表示。通過模擬聽覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，實現(xiàn)分子通信建立，實現(xiàn)架構(gòu)和通信技術(shù)有效提升。

2 基于聽覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分子通信模型研究

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分子通信涉及生物學、計算機學、信息與通信工程眾多重要學科，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在許多實際系統(tǒng)輸入與輸出之間存在復(fù)雜非線性性關(guān)系，那個能夠?qū)ν饨巛斎霕颖揪哂休^強的識別能力，還具有較為精確的分類功能。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化計算功能，以動態(tài)系統(tǒng)方程式進行描述，設(shè)立隨機數(shù)據(jù)為初始條件后，與目標函數(shù)有關(guān)的優(yōu)化約束信息存儲于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接矩權(quán)矩陣之中，系統(tǒng)狀態(tài)不斷穩(wěn)定以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方程的解作為優(yōu)化結(jié)果，以來分子通信用于編碼、傳輸和接受信息，并執(zhí)行從計算和數(shù)據(jù)存儲，通過其數(shù)據(jù)記憶和處理能力建立分子通信網(wǎng)絡(luò)。聽覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是較為高校的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有傳輸速度快的特點，但也存在錯誤傳導(dǎo)的問題，結(jié)合大腦內(nèi)聽覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)信號產(chǎn)生和傳輸，建立信息模型，以一個輸入神經(jīng)元和輸出神經(jīng)元建立信道模型，其框架為：

2.1 神經(jīng)信號產(chǎn)生

聽覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過外部刺激產(chǎn)生神經(jīng)信號，不同位置的不同類型神經(jīng)元接受刺激不同產(chǎn)生的神經(jīng)元信號存在不同。以線性-非線性-泊松模型神經(jīng)元信號產(chǎn)生過程，在模型中以隨機刺激m（t）為輸入，作用到前突觸過程中，產(chǎn)生動態(tài)電壓脈沖序列s（t），前突觸上的神經(jīng)元信號點的火速率λ（t）表達，序列隨著時間的分布而逐漸密集，并通過線性權(quán)重模塊將輸入刺激信號初步轉(zhuǎn)為權(quán)重值k（t），其表達式為：λ（t）=f（v（t））=f（m（t）*k（t）），運用非線性點模型，將權(quán)重值進行分新型處理，轉(zhuǎn)化為非齊次的點火速率方程：f（t）=（1+exp（-a（t-b））），進入泊松編碼器，產(chǎn)生神經(jīng)動態(tài)電壓序列，并在軸突上進行傳播，直到軸突末梢。

2.2 神經(jīng)信號軸突傳輸

神經(jīng)元信號產(chǎn)生后以電壓脈沖的形式在神經(jīng)細胞體內(nèi)進行傳到。神經(jīng)信號傳導(dǎo)到軸突纖維后，細胞膜內(nèi)癌的K離子、Ca離子、Na離子在受到電脈沖直線不斷初乳細胞膜交換位置，改變纖維膜內(nèi)外的政府點位置實現(xiàn)電壓脈沖信號在軸突上進行定向移動。傳輸方式類似電纜信號傳到方式且高校穩(wěn)定。

2.3 囊泡釋放

當脈沖序列s（t）到達軸突末梢后刺激囊泡，并在刺激作用下Ca通道開放進行移動，Ca離子濃度提升后以一定的概率進行神經(jīng)細胞膜融合并釋放神經(jīng)質(zhì)，通過離子通道和G蛋白偶聯(lián)受體觸發(fā)下游通路。通過模擬囊泡的釋放過程，假設(shè)神經(jīng)元脈沖序列到來囊泡將以固定的概率釋放神經(jīng)元遞質(zhì)，實現(xiàn)填充為因釋放而釋放空出的空間位置。

2.4 遞質(zhì)傳輸

通過囊泡釋放階段的簡析通道作用進行擴散運動，神經(jīng)元間隙通道短，可以忽略向外空間的泄露，在實際研究過程中發(fā)現(xiàn)眾多化學物質(zhì)都能夠阻礙遞質(zhì)傳輸，通過改變受體的密度和分布能調(diào)節(jié)神經(jīng)元信號的延遲，神經(jīng)元處于異常狀態(tài)，造成間隙通道內(nèi)遞質(zhì)分子過多阻礙減慢傳輸速率，打亂實際傳輸過程。模擬化學遞質(zhì)傳輸脈沖信號的時間分布直接相關(guān)，通道口與遞質(zhì)之間的實踐，滿足脈沖需求，合理降低神經(jīng)遞質(zhì)擁堵概率。

2.5 量化與塑性

神經(jīng)元遞質(zhì)被后突觸吸收以后引發(fā)后突觸響應(yīng)進行模擬，將后突觸響應(yīng)作為接收端信號處理過程，通過化學信號量化及興奮性波形塑性完成。細胞膜內(nèi)外的多種離子交互，提升局部電壓后積累，最終匯聚為神經(jīng)元細胞膜的全局電壓，完成輸出。

神經(jīng)元具有多個突觸末梢，通過多個神經(jīng)通道信號進行仿真模擬，降低干擾實現(xiàn)分子通信的通道連接，完成發(fā)送端與接收端。在觸發(fā)響應(yīng)后，通過間隙信道傳輸實現(xiàn)后突觸響應(yīng)，降低同類信號之間的干擾問題，在聽覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上建立分子通道，保證信號傳輸質(zhì)量與速率。

3 Ca信號的分子通信研究

Ca離子以離子或化合物廣泛作用于人體組織、細胞及各層器官之中，其穩(wěn)定性較強且容易觀測，形成的波形信號作為分子通信的一種通信機制被大量研究所重視。細胞間Ca信號傳輸?shù)男诺滥Ｐ?，以不同強度的刺激作為輸入，控制產(chǎn)生不同頻率和幅度的Ca信號，通過間隙信道傳輸?shù)脚R近的細胞，完成輸入輸出需求。假設(shè)Ca離子濃度在一個細胞內(nèi)近似于均勻分布，以一群細胞作為通信場景，細胞之間通過間隙通道連接中的任意一個細胞，在化學刺激下產(chǎn)生該信號，在進行化學反應(yīng)后得到三磷酸肌醇，細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形成波浪形濃度的Ca信號，不同強度的刺激產(chǎn)生不同頻率和幅度的信號。Ca濃度增高細胞外Ca離子進入細胞速率加快，間隙信道對Ca離子的滲透度進行管控，部分非常規(guī)的泄露也將導(dǎo)致細胞質(zhì)Ca濃度升高，在傳輸過程中對間隙信道具有噪聲，對Ca濃度也具有不同程度的影響。

3.1 接收過程

接收刺激過程中以周期性信號經(jīng)過間隙信道傳輸?shù)郊霞毎?，這些細胞能夠通過監(jiān)測Ca信號的頻率，進行解碼和接受信息。通過Ca信號接受過程以獲取Ca離子濃度、檢測Ca信號，在Ca離子濃度的變化或信號幅度足夠大，細胞能夠檢測Ca的存在。檢測到Ca信號后進一步進行解碼Ca信號提取信息，使用頻率編碼獲取它的頻率信息，如果Ca信號以周期信號的形式被細胞檢測到，將被成功接受。

3.2 間隙信道切換機制

Ca信號在傳輸過程中間隙信道切換機制從簡單的拓撲出發(fā)，當刺激注入細胞后通過Ca濃度的不同動態(tài)變化性，假設(shè)信號在A細胞中產(chǎn)生后通過間隙進行傳輸，其狀態(tài)以信號從細胞A到B，信息從細胞A傳向C，信號不傳到B也不傳向C，信號從A傳向B和C四種可能性。通過間隙信道的“打開”和“關(guān)閉”，進行兩種狀態(tài)互相切換，實現(xiàn)細胞對連接蛋白的自我調(diào)節(jié)。要利用熒光顯微鏡能夠觀測和分析細胞內(nèi)信號，否則向直接測量間隙通道的開關(guān)情況是較為困難的，Ca離子在的滲透度隨著細胞內(nèi)濃度動態(tài)發(fā)生變化，在大多數(shù)種類的間隙通道處于正常工作狀態(tài)時，對Ca離子的滲透度將隨著細胞內(nèi)Ca濃度的增加而逐漸增加，實現(xiàn)細胞的自我保護機制，防止過高Ca離子導(dǎo)致細胞死亡，部分類型間隙通道在缺血、病態(tài)等特殊情況下，Ca離子滲透度將出現(xiàn)濃度增加而減小異常現(xiàn)象，信道在高濃度下打開。

在間隙信道切換過程中容易出現(xiàn)噪聲的隨機信號切換可能性，分別是細胞內(nèi)部噪聲、細胞外部噪聲和間隙信道噪聲。其中內(nèi)部噪聲儀細胞內(nèi)部的細胞器引起，如線粒體等細胞會隨機釋放和吸收Ca離子引起濃度改變，在細胞外存在天然的刺激、抑制劑等問題對細胞質(zhì)Ca濃度造成影響，間隙信道的噪聲影響間隙信道對離子滲透度的熱噪聲為主，對細胞質(zhì)濃度和間隙信道滲透度造成影響。

通過對Ca信號傳輸機制的數(shù)字進行仿真后發(fā)現(xiàn)，細胞的自我保護機制為防止Ca離子的數(shù)量過多會趨于關(guān)閉間隙信道，在非正常狀態(tài)的間隙信道打開時Ca離子滲透度隨著刺激強度增加而增加，且細胞可承受范圍內(nèi)存在，Ca離子在不同條件下噪聲將對波形造成較為明顯的影響，運用信道切換機子能夠控制不同間隙信道的開關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)Ca信號流向不同細胞的目的。以生物機理的信道為模型，實現(xiàn)分子通信的性能優(yōu)化。

4 聽覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分子通信的展望

在1945年馮·諾伊曼設(shè)計成功存儲程序的電子計算機標志著電子計算機時代開始，指導(dǎo)現(xiàn)階段神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究，促進科技水平不斷提升。運用聽覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分子通信，為龐雜的現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供良好的技術(shù)支持，在信源方面應(yīng)用層通過誘導(dǎo)特定的化學反應(yīng)開始分子通信，使信宿應(yīng)用層產(chǎn)生預(yù)期的反應(yīng)。信源處的網(wǎng)絡(luò)層選擇通信信道，并且鏈路層確保信道可用。物理層通過在選定的信道上向路由器發(fā)送和傳播信息分子，隨后路由器類似地選擇通信信道，確保信道可用，并對噪音等影響進行合理規(guī)避，傳播一種信息分子到信宿。最終達到信宿對由路由器產(chǎn)生的并進入信宿的信息分子做出反應(yīng)，從而啟動一個依賴于應(yīng)用程序的動作。

5 結(jié)語

綜上所述，神經(jīng)元細胞作為生物通道，以神經(jīng)元信號傳輸作為通信激勵，具有多層次的信道傳輸渠道，通過對前突觸神經(jīng)元-間隙信道傳輸-后突觸神經(jīng)元建造分子通信模型分析，防止受到異常信息干擾，保障傳輸數(shù)量與速率需求。還可運用鈣信號的分子信道研究，實現(xiàn)通過鈣離子與細胞質(zhì)鈣濃度、開關(guān)間隙信道等內(nèi)容進行分析，實現(xiàn)信號傳輸。通過對聽覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分子通道分析，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不斷推進現(xiàn)代信息數(shù)據(jù)處理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)進一步發(fā)展。

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