基于听觉神经网络的分子通信模型研究

程瑶

[摘 要]人类互相沟通交流以语言表达，听觉神经网络在听音辨物方面具有独特的优越性，通过模拟生物大脑的结构和功能构成信息处理系统，并模拟人脑信息处理的功能，以来分子通信建立通信网络。本文就听觉神经网络的分子通信模型进行了研究。

[关键词]听觉神经网络;神经系统;分子通信

[中图分类号]TP183 [文献标识码]A

引言：人的听觉系统具有良好的抗噪音和识别的能力，在较为复杂的环境中人与人之间的语音交流能够不受到周边噪音的影响。这种听觉神经网络特受到多学者的重视，通过对神经元及网络的研究，应用到分子通道建设过程中，搭建神经网络结构、合理的计算进行分析研究，提升学习能力，为人工智能发展奠定良好的基础。

1 听觉神经网络和分子通信特点

人类能够进行高级认知功能，需要听觉神经网络能够完成信息收集、传到及整合信号为大脑快速服务。听觉神经网络的放点活动以神经元产生和传输电脉冲串的过程，通过对神经网络系统的分析，迅速推进细胞核分子信道研究，需要进行多学科不同方向的进行综合性研究，促进计算机、医学、神经科学等多方面众多领域快速发展。

1.1 听觉神经网络

人耳的生理结构和听觉具有独特的音频信号处理能力，入耳听觉神經系统各部分具有独特的生理结构，并在声音识别过程中发挥着不同的功能。人的听觉器官是一个精密的机械振动系统，神经系统具有感受、传输、分析和处理声音信息的功能，且参数跨度范围广泛，能够识别20Hz到20kHz的声音频域，1000倍的上下频率相差，具有十分灵敏和精确的分辨率。通过人耳几千个感受细胞向神经通道传输信息，且在声音变化过程提取有用的信息，且信息的载体并不是声音的本身而是声域的变化，听觉神经网络特点能够为神经科学、信息科学以及人工职能、通信工程和信号处理等众多领域进行深入研究。

1.2 神经网络分子通信特点

美国学者Hecht Nielsen提出神经网络是由多个简单处理单元，彼此按照某种方式相互联系，形成计算系统，依靠其状态对外部输入信息的动态响应来处理信息。神经系统模仿脑细胞结构和功能、脑神经结构和思维处理问题等功能的新型信息处理系统，并具有两个较为明显的特点，神经网络从环境中学习获得知识，另外还可通过增强神经元之间的相互连接作用以存储所学知识。深入到听觉神经系统的分子通信研究中，通过分析人的听觉特性，运用特殊的音频信号处理，建立符合听觉系统的模型，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学性质表示。通过模拟听觉神经网络的构建，实现分子通信建立，实现架构和通信技术有效提升。

2 基于听觉神经网络分子通信模型研究

神经网络分子通信涉及生物学、计算机学、信息与通信工程众多重要学科，神经网络在许多实际系统输入与输出之间存在复杂非线性性关系，那个能够对外界输入样本具有较强的识别能力，还具有较为精确的分类功能。通过神经网络优化计算功能，以动态系统方程式进行描述，设立随机数据为初始条件后，与目标函数有关的优化约束信息存储于神经网络的连接矩权矩阵之中，系统状态不断稳定以神经网络方程的解作为优化结果，以来分子通信用于编码、传输和接受信息，并执行从计算和数据存储，通过其数据记忆和处理能力建立分子通信网络。听觉神经网络是较为高校的通信网络系统，具有传输速度快的特点，但也存在错误传导的问题，结合大脑内听觉神经网络动态信号产生和传输，建立信息模型，以一个输入神经元和输出神经元建立信道模型，其框架为：

2.1 神经信号产生

听觉神经网络通过外部刺激产生神经信号，不同位置的不同类型神经元接受刺激不同产生的神经元信号存在不同。以线性-非线性-泊松模型神经元信号产生过程，在模型中以随机刺激m（t）为输入，作用到前突触过程中，产生动态电压脉冲序列s（t），前突触上的神经元信号点的火速率λ（t）表达，序列随着时间的分布而逐渐密集，并通过线性权重模块将输入刺激信号初步转为权重值k（t），其表达式为：λ（t）=f（v（t））=f（m（t）*k（t）），运用非线性点模型，将权重值进行分新型处理，转化为非齐次的点火速率方程：f（t）=（1+exp（-a（t-b））），进入泊松编码器，产生神经动态电压序列，并在轴突上进行传播，直到轴突末梢。

2.2 神经信号轴突传输

神经元信号产生后以电压脉冲的形式在神经细胞体内进行传到。神经信号传导到轴突纤维后，细胞膜内癌的K离子、Ca离子、Na离子在受到电脉冲直线不断初乳细胞膜交换位置，改变纤维膜内外的政府点位置实现电压脉冲信号在轴突上进行定向移动。传输方式类似电缆信号传到方式且高校稳定。

2.3 囊泡释放

当脉冲序列s（t）到达轴突末梢后刺激囊泡，并在刺激作用下Ca通道开放进行移动，Ca离子浓度提升后以一定的概率进行神经细胞膜融合并释放神经质，通过离子通道和G蛋白偶联受体触发下游通路。通过模拟囊泡的释放过程，假设神经元脉冲序列到来囊泡将以固定的概率释放神经元递质，实现填充为因释放而释放空出的空间位置。

2.4 递质传输

通过囊泡释放阶段的简析通道作用进行扩散运动，神经元间隙通道短，可以忽略向外空间的泄露，在实际研究过程中发现众多化学物质都能够阻碍递质传输，通过改变受体的密度和分布能调节神经元信号的延迟，神经元处于异常状态，造成间隙通道内递质分子过多阻碍减慢传输速率，打乱实际传输过程。模拟化学递质传输脉冲信号的时间分布直接相关，通道口与递质之间的实践，满足脉冲需求，合理降低神经递质拥堵概率。

2.5 量化与塑性

神经元递质被后突触吸收以后引发后突触响应进行模拟，将后突触响应作为接收端信号处理过程，通过化学信号量化及兴奋性波形塑性完成。细胞膜内外的多种离子交互，提升局部电压后积累，最终汇聚为神经元细胞膜的全局电压，完成输出。

神经元具有多个突触末梢，通过多个神经通道信号进行仿真模拟，降低干扰实现分子通信的通道连接，完成发送端与接收端。在触发响应后，通过间隙信道传输实现后突触响应，降低同类信号之间的干扰问题，在听觉神经网络的基础上建立分子通道，保证信号传输质量与速率。

3 Ca信号的分子通信研究

Ca离子以离子或化合物广泛作用于人体组织、细胞及各层器官之中，其稳定性较强且容易观测，形成的波形信号作为分子通信的一种通信机制被大量研究所重视。细胞间Ca信号传输的信道模型，以不同强度的刺激作为输入，控制产生不同频率和幅度的Ca信号，通过间隙信道传输到临近的细胞，完成输入输出需求。假设Ca离子浓度在一个细胞内近似于均匀分布，以一群细胞作为通信场景，细胞之间通过间隙通道连接中的任意一个细胞，在化学刺激下产生该信号，在进行化学反应后得到三磷酸肌醇，细胞内质网形成波浪形浓度的Ca信号，不同强度的刺激产生不同频率和幅度的信号。Ca浓度增高细胞外Ca离子进入细胞速率加快，间隙信道对Ca离子的渗透度进行管控，部分非常规的泄露也将导致细胞质Ca浓度升高，在传输过程中对间隙信道具有噪声，对Ca浓度也具有不同程度的影响。

3.1 接收过程

接收刺激过程中以周期性信号经过间隙信道传输到集合细胞室，这些细胞能够通过监测Ca信号的频率，进行解码和接受信息。通过Ca信号接受过程以获取Ca离子浓度、检测Ca信号，在Ca离子浓度的变化或信号幅度足够大，细胞能够检测Ca的存在。检测到Ca信号后进一步进行解码Ca信号提取信息，使用频率编码获取它的频率信息，如果Ca信号以周期信号的形式被细胞检测到，将被成功接受。

3.2 间隙信道切换机制

Ca信号在传输过程中间隙信道切换机制从简单的拓扑出发，当刺激注入细胞后通过Ca浓度的不同动态变化性，假设信号在A细胞中产生后通过间隙进行传输，其状态以信号从细胞A到B，信息从细胞A传向C，信号不传到B也不传向C，信号从A传向B和C四种可能性。通过间隙信道的“打开”和“关闭”，进行两种状态互相切换，实现细胞对连接蛋白的自我调节。要利用荧光显微镜能够观测和分析细胞内信号，否则向直接测量间隙通道的开关情况是较为困难的，Ca离子在的渗透度随着细胞内浓度动态发生变化，在大多数种类的间隙通道处于正常工作状态时，对Ca离子的渗透度将随着细胞内Ca浓度的增加而逐渐增加，实现细胞的自我保护机制，防止过高Ca离子导致细胞死亡，部分类型间隙通道在缺血、病态等特殊情况下，Ca离子渗透度将出现浓度增加而减小异常现象，信道在高浓度下打开。

在间隙信道切换过程中容易出现噪声的随机信号切换可能性，分别是细胞内部噪声、细胞外部噪声和间隙信道噪声。其中内部噪声仪细胞内部的细胞器引起，如线粒体等细胞会随机释放和吸收Ca离子引起浓度改变，在细胞外存在天然的刺激、抑制剂等问题对细胞质Ca浓度造成影响，间隙信道的噪声影响间隙信道对离子渗透度的热噪声为主，对细胞质浓度和间隙信道渗透度造成影響。

通过对Ca信号传输机制的数字进行仿真后发现，细胞的自我保护机制为防止Ca离子的数量过多会趋于关闭间隙信道，在非正常状态的间隙信道打开时Ca离子渗透度随着刺激强度增加而增加，且细胞可承受范围内存在，Ca离子在不同条件下噪声将对波形造成较为明显的影响，运用信道切换机子能够控制不同间隙信道的开关状态，实现Ca信号流向不同细胞的目的。以生物机理的信道为模型，实现分子通信的性能优化。

4 听觉神经网络的分子通信的展望

在1945年冯·诺伊曼设计成功存储程序的电子计算机标志着电子计算机时代开始，指导现阶段神经网络的研究，促进科技水平不断提升。运用听觉神经网络分子通信，为庞杂的现代通信网络建设提供良好的技术支持，在信源方面应用层通过诱导特定的化学反应开始分子通信，使信宿应用层产生预期的反应。信源处的网络层选择通信信道，并且链路层确保信道可用。物理层通过在选定的信道上向路由器发送和传播信息分子，随后路由器类似地选择通信信道，确保信道可用，并对噪音等影响进行合理规避，传播一种信息分子到信宿。最终达到信宿对由路由器产生的并进入信宿的信息分子做出反应，从而启动一个依赖于应用程序的动作。

5 结语

综上所述，神经元细胞作为生物通道，以神经元信号传输作为通信激励，具有多层次的信道传输渠道，通过对前突触神经元-间隙信道传输-后突触神经元建造分子通信模型分析，防止受到异常信息干扰，保障传输数量与速率需求。还可运用钙信号的分子信道研究，实现通过钙离子与细胞质钙浓度、开关间隙信道等内容进行分析，实现信号传输。通过对听觉神经网络的分子通道分析，增强系统的稳定性，不断推进现代信息数据处理、人工神经网络等技术进一步发展。

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