神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分子通信模型分析

程瑤

摘要：本文主要探究了以流體介質(zhì)與神經(jīng)元為載體的分子通信混合信道，并進(jìn)一步分析了基于混合信道的人體內(nèi)所存的各種類型生物介質(zhì)與信號(hào)。在生理方面，不同介質(zhì)之間是相互依賴的關(guān)系，而且能夠相互傳播信號(hào)以及能量，能夠有效實(shí)現(xiàn)跨介質(zhì)信道建模的構(gòu)建。由于流體血管和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)是非常關(guān)鍵的生物介質(zhì)，因此基于兩者相結(jié)合所建立的混合通信模型具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);分子通信模型;神經(jīng)元;流體

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1009-3044（2019）03-0180-02

1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與通信性質(zhì)

血管與神經(jīng)元共同組成的簡(jiǎn)易網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖，具體如圖1所示。其中，血管網(wǎng)絡(luò)則包含三部分，即靜脈、動(dòng)脈、毛細(xì)血管。其中，靜脈與動(dòng)脈與心臟直接性相連，是身體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)相互交換的重要通道。而毛細(xì)血管則位于動(dòng)脈和靜脈相連接的位置上，主要是提供養(yǎng)料給距離心臟位置比較遠(yuǎn)的部分。而神經(jīng)系統(tǒng)主要包含兩大部分，即中樞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與外圍神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。其中，外圍神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)位于人體的各個(gè)位置，主要任務(wù)是傳感與傳輸身體外部的相關(guān)信息。而中樞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則是位于人體的頭部，是神經(jīng)系統(tǒng)的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，主要任務(wù)是存儲(chǔ)和處理信息。

血管和神經(jīng)元之間的交互通信主要是基于多種分子在不同的位置上進(jìn)行位移和反應(yīng)得以進(jìn)行的。因?yàn)橄到y(tǒng)太過復(fù)雜，彼此間分子位移和反應(yīng)機(jī)制十分繁雜。在此領(lǐng)域，生物界依舊存有許多疑惑。但是以既有知識(shí)體系作為重要基礎(chǔ)，血管和神經(jīng)元相互之間的交互具備兩大明顯特性。其一，雙向性。基于生物角度看，血管與神經(jīng)元之間處于相互依賴生存的關(guān)系，這就直接決定了兩者都不具有雙方所具備物質(zhì)或能量，因此，只有在雙方實(shí)現(xiàn)物質(zhì)和能量彼此交換后，才能夠以此作為依賴得以生存。而在交互通信過程中，生物化學(xué)反應(yīng)也存在明顯的雙向性，其中平衡點(diǎn)與酶的作用之間密切相關(guān)。在化學(xué)反應(yīng)平衡點(diǎn)打破的時(shí)候，也就代表著全新的交互通信作用也隨之產(chǎn)生。其二，交互通信是一項(xiàng)多線程過程。此過程在相同的時(shí)間下，各種分子和離子等給予多項(xiàng)空間位置進(jìn)行交互的過程。在空間范圍內(nèi)，靜脈、動(dòng)脈、毛細(xì)血管、中樞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、外圍神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)彼此交互。血管與神經(jīng)元兩大網(wǎng)絡(luò)費(fèi)分布十分廣泛，生長(zhǎng)也極具纏繞性，這就導(dǎo)致交互的位置非常多元化。雖然位置相同，可通信的生物化學(xué)反應(yīng)也是以各種類型分子與離子為載體，切實(shí)參與了整個(gè)通信過程，所以說通信具有一定多線程性。而不同分子和離子等等在身體內(nèi)部逐漸構(gòu)成所謂的流體，再以血管和神經(jīng)元通道為載體進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)交互通信，然后生物受體得以吸收。

2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單向單線性通信過程

為了進(jìn)一步將物理機(jī)制簡(jiǎn)化，構(gòu)建單一種類分子與單一交互位置的單向單線程混合信道。信息則是按照從血管到神經(jīng)元的方向進(jìn)行傳輸。在血管壁上附著著發(fā)送納米機(jī)，如果這一位置是靜態(tài)的。這樣一來，發(fā)送納米機(jī)進(jìn)行調(diào)制編碼之后，則會(huì)慢慢順著流體介質(zhì)通道，漸漸涌入，釋放出擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的信號(hào)分析。但是，接收納米機(jī)是在神經(jīng)元上附著的，而且其具有接收并解碼神經(jīng)信號(hào)的功能。另外，中繼納米機(jī)則是依附于血管與神經(jīng)元細(xì)胞的中間位置上，其具有中繼傳輸和轉(zhuǎn)換神經(jīng)信號(hào)的良好功能，能夠?qū)⒀艿南嚓P(guān)活動(dòng)信息全面感知到，然后及時(shí)收集，再傳輸給大腦中樞。其中發(fā)送納米機(jī)與接收納米機(jī)也可以是人造細(xì)胞與人工神經(jīng)元，而中繼納米機(jī)則是傳感神經(jīng)元或者膠質(zhì)細(xì)胞等一系列自然存在的單元，同時(shí)也可以是人工神經(jīng)元。

在通信時(shí)，主要包含兩個(gè)子信道通信，不同信號(hào)的中繼過程。如果系統(tǒng)是就時(shí)隙為依據(jù)，進(jìn)行同步傳輸，在不同的時(shí)隙間，所對(duì)應(yīng)的比特不同，以此為載體進(jìn)行傳輸。在時(shí)隙中發(fā)送納米機(jī)編碼比特信息，以此作為血液分子信號(hào)，這代表著輸入信號(hào)。在分子得到釋放后及時(shí)流進(jìn)血液中，在血液流動(dòng)的帶動(dòng)下，分子開始不斷漂移擴(kuò)散，以此實(shí)現(xiàn)傳輸。發(fā)送納米機(jī)主要是基于開關(guān)鍵模式進(jìn)行信息調(diào)制，其中發(fā)送分子調(diào)制比特為1，不發(fā)送分子調(diào)制比特為0。中繼納米機(jī)也具有相應(yīng)功能，能夠感知血管分子，在分子大量集中到其所能感受到的區(qū)域范圍內(nèi)時(shí)，可以就感知分子量或濃度，不斷向周圍的神經(jīng)元中釋放電流信號(hào)，就是所謂的中繼信號(hào)。支血管和毛細(xì)血管與心臟位置距離比較遠(yuǎn)，血液流動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，因此不用對(duì)血液流動(dòng)速度中的異常進(jìn)行考慮。血液流體動(dòng)態(tài)和拋物線分布明確相符，主要由以下公式進(jìn)行表示：

其中，ε1與ε-1代表接收與釋放分子的速率。Vr代表所能吸附信號(hào)分子的球型空間。ρ代表表層配合基受體濃度。Ak（t）代表神經(jīng)元?jiǎng)討B(tài)電壓，其與中繼納米機(jī)釋放的離子數(shù)、離子穿透概率密切相關(guān)。而且為了實(shí)現(xiàn)信息中繼，神經(jīng)元?jiǎng)討B(tài)電壓需要和中繼納米機(jī)接收的分子數(shù)處于正相關(guān)關(guān)系，具體表示為：

在單位時(shí)隙中，所接收信號(hào)分子數(shù)量逐漸增多，激發(fā)的神經(jīng)元?jiǎng)討B(tài)電壓則會(huì)隨之增強(qiáng)。在波形離子電流中，正弦波形對(duì)神經(jīng)元的刺激效果最為顯著。所以，利用正弦波離子流實(shí)例，具體為：

μ代表信號(hào)分子所釋放出來的離子流強(qiáng)度，a代表正弦離子電流頻率，b代表正弦離子電流相位，一般為0。因?yàn)樵S多中繼納米機(jī)同時(shí)合成對(duì)神經(jīng)元產(chǎn)生刺激，神經(jīng)元膜部分的電壓也會(huì)彼此疊加，而其全局電壓V（t）和中繼納米機(jī)釋放離子電流累積相關(guān)，則給予霍奇金赫胥黎（HH）模型建模，具體為：

在HH模型中，V0代表在無刺激時(shí)神經(jīng)元休止電位。V（t）在多個(gè)Ak（t）作用下不斷累積增長(zhǎng)，也隨著局部離子也在不斷流失。如果多項(xiàng)Ak（t）共同合力，那么V（t）的擴(kuò)展速度則會(huì)超過在離子流失影響下不斷減小的速度，甚至超過激發(fā)門限的時(shí)候，此時(shí)神經(jīng)元就會(huì)生成電脈沖信號(hào)。如果合力不充足時(shí)，不能超出激發(fā)門限，神經(jīng)元就不會(huì)產(chǎn)生電脈沖信號(hào)。神經(jīng)元信號(hào)產(chǎn)生的形式則為電脈沖信號(hào)集合，具體為：

φ代表脈沖波形，在滿足條件相關(guān)條件時(shí)，時(shí)刻激發(fā)產(chǎn)生。產(chǎn)生脈沖信號(hào)之后，V（t）會(huì)及時(shí)回復(fù)到休止電位下，這中間的時(shí)間大約在15ms，也就是神經(jīng)學(xué)中所謂的絕對(duì)不應(yīng)期。

產(chǎn)生神經(jīng)元脈沖信號(hào)之后，其會(huì)在子信道上進(jìn)行全面?zhèn)鬏敚瑐鬏斞舆t則與神經(jīng)元的類型、長(zhǎng)度以及脈沖信號(hào)的分布息息相關(guān)。在前層與后層神經(jīng)元中，進(jìn)行信息傳輸，電壓脈沖基于胞體出發(fā)，順著軸突纖維的方向?qū)崿F(xiàn)傳輸，再通過囊泡將化學(xué)遞質(zhì)信號(hào)釋放出來，以此方式基于間隙信道進(jìn)行傳輸，進(jìn)而對(duì)其他神經(jīng)元形成適當(dāng)刺激，最終形成電脈沖信號(hào)。

3 結(jié)語

總之，混合信道可以實(shí)現(xiàn)各種介質(zhì)的傳播，而信道模型則是通過在流體介質(zhì)擴(kuò)散信道和神經(jīng)元脈沖電信號(hào)進(jìn)行有機(jī)交換，以此中繼異構(gòu)信道的相關(guān)信息。混合信道模型研究進(jìn)一步擴(kuò)展到了新型多種生物介質(zhì)中，其在很大程度上為分子通信接口設(shè)計(jì)與實(shí)踐應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。另外，在具體應(yīng)用中，從血管到神經(jīng)元的單向信道模型構(gòu)建在很大程度上位進(jìn)行血管健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了有力幫助，不僅可以基于生物傳感獲知血管的狀態(tài)信息，還可以基于神經(jīng)元信息進(jìn)行傳輸，然后通過身體外部設(shè)備加以獲取。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何鵬.分子通信信道模型關(guān)鍵技術(shù)研究[D].2018.

[2] 高長(zhǎng)城.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型——神經(jīng)元矩陣[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014（17）：48-48.

[3] 程珍，趙慧婷，林飛.擴(kuò)散的分子通信模型的多跳可靠性和時(shí)延分析[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2018，39（5）.

[4] 樊振宇.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與學(xué)習(xí)算法[J].軟件導(dǎo)刊，2011，10（7）：66-68.

[5] 程珍，林飛，雷艷靜，等.基于擴(kuò)散的分子通信模型的信道容量分析[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2018（6）.

【通聯(lián)編輯：光文玲】