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基于神经生物学的神经元真实感仿真

封宁  
【摘要】:人们可以根据神经生物学理论和充分的实验数据,应用神经元仿真技术,高效地对神经元的形态、物理和生物化学变化以及神经网络中神经元之间的相互作用等进行建模仿真。对神经元仿真技术的系统性研究只有十年左右时间,但是其成果令世人瞩目。现在已经有各种类型的仿真系统和算法,它们各具特色,各有所长。随着计算机技术,特别是可视化技术的不断发展,人们对仿真结果的真实性、精确性、生动性和直观性的要求日益提高,因此也对仿真技术的完善程度以及仿真技术对神经元形象和动态过程的描绘能力提出了越来越高的要求。 在对现有的各种神经元仿真系统、技术全面了解,并且对其中主要几种具体分析的基础上,本文提出并且以实例详尽地说明了一套基于神经生物学理论的、能够产生真实感仿真结果的神经元仿真系统;这些系统可分别应用于神经元树突的仿真造型、神经元轴突生长导向过程的动态仿真、神经元NO反应—扩散的仿真。作者在以下几个方面进行了有益的探索性研究: 1、基于模块化L-系统的神经元树突真实感仿真造型 树突的形态与神经元乃至整个神经系统的功能有着密切的关系。为了逼真地描绘神经元树突的各种形态,本文提出了一套既具有很强描绘能力又便于操作的树突三维仿真造型的方法。本文特别建立了一个模块化可复用的完全符合L-系统语法的树突仿真造型系统;该系统因为具有模块化这一特点,同时兼有的参数化等其它特点,所以给建模带来很大的便利。整个仿真过程完全不用额外的编程工作。所采用的关于树突形态等的参数是通过对大量实验数据的分析、抽象和总结而得到的,因此仿真结果真实可靠。通过比较可知仿真结果与真实树突具有高度的一致性。为了将树突仿真造型的结果应用于神经元生理活动的仿真,可以将其转换为通用的神经元模型文件格式,如Genesis和Neuron。 2、将开放式L-系统引入轴突生长导向过程的真实感动态仿真 为了高效地、精确地进行轴突生长导向整个过程的仿真,本文提出了一个基于开放式L-系统的轴突生长导向过程的真实感动态仿真系统,并以实例详尽地说明了这个仿真系统的各个环节。这个仿真系统将轴突生长导向过程分为两个同步的过程——种经元轴突生长、延伸的过程,和胞外环境以特有的机制为轴突的


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