密级： 保密期限： 北京朝電大学 博士学位论文 题目：基于突触可塑性的复杂系统中信 息传输机制的研究 学号： 2014010254 姓名： 王媛 计算机科学与技术 导师： 陈俊亮 学 院：计算机学院（国家示范性软件学院） 2021年5月31日 中国·北京 C)1994-2021 China Academic
密 级 ： 保密期 限 ： ： 傅 士 学 ｆ 位 论 文 麵 曰 ． 基 于 突 触可 塑 性 的 复杂 系 统 中 信 息 传 输鍾綱冑 響■鑛 灣■纖濯 身 ＇ ， ｈ 学 号 ： Ｍ２ ５ ４ 姓 名 ： ￡Ｍ 专 业 ： 计 娜科学 与 技术— 导 师 ： 陈 俊 亮 学 院 ： 计算 机学 院 （ 国 家 示 范 性 软件 学 院 ） ＇ ■ ． ２ ０ ２ １ 年 ５ 月 ３ １ 曰 —
密级： 保密期限： 北京鄣蜜大学 博士学位论文 题目：基于突触可塑性的复杂系统中信 息传输机制的研究 学 号： 2014010254 举 名： 王媛 发 业： 计算机科学与技术 冷 师： 陈俊亮 学 院：计算机学院（国家示范性软件学院） 2021年5月31日 (C)1994-2021 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/www.cnki.net
密级 ： 保密期 限 ： 分 耆 仰 ｔ 大 摩 博士 学位论文 题 目 ： 基于突触可塑性的复杂系统 中信 息传输机制 的研究 学 号 ： ２ ０ １ ４ ０ １ ０２ ５ ４ 姓 名 ： 謎 专 业 ： 计算机科学墟术 导 师 ： 陈俊亮 学 院 ： 计算机学院 （ 国家示范性软件学 院） ２ ０ ２ １ 年 ５ 月 ３ １ 日
Secret Level: Confidentiality Period: BEIJING UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS Doctoral Dissertation Title Signal Transmission with Synaptic Plasticity in Complex Neural Systems Student No.: 2014010254 Candidate: Yuan Wang Subject: Computer Science and Technology Supervisor: Junliang Chen Institute: School of Computer Science (National Pilot Software Engineering School) May31,2021 (C)1994-2021 China Academie Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
Ｓ ｅ ｃ ｒｅ ｔ Ｌｅｖ ｅ ｌ ： Ｃｏ ｎ ｆｉ ｄ ｅ ｎ ｔｉ ａ ｌ ｉ ｔｙ Ｐｅ ｒｉ ｏ ｄ ： ？ ＢＥＩＪＩＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩ ＴＹ ＯＦ Ｐ ＯＳＴＳ ＡＮＤ ＴＥＬＥＣＯＭＭＵＮＩ ＣＡＴＩＯＮＳ Ｄｏ ｃｔ ｏｒ ａｌ Ｄｉ ｓ ｓ ｅｒｔ ａｔｉ ｏ ｎ Ｔｉ ｔｌ ｅ ： Ｓ ｉｇｎ ａ ｌ Ｔｒ ａ ｎ ｓ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｗｉ ｔｈ Ｓｙ ｎ ａ ｐｔｉ ｃ Ｐｌ ａ ｓ ｔｉ ｃｉ ｔｙ ｉ ｎ Ｃ ｏ ｍｐ ｌ ｅ ｘ Ｎｅ ｕ ｒａ ｌ Ｓｙｓ ｔｅ ｍｓ Ｓ ｔ ｕｄ ｅ ｎ ｔ Ｎｏ ． ： ２ ０ １ ４０ １ ０ ２ ５４ Ｃａ ｎ ｄ ｉ ｄ ａ ｔ ｅ ： Ｙｕ ａ ｎ Ｗａ ｎ ｇ Ｓ ｕ ｂｊ ｅ ｃ ｔ ： Ｃｏ ｍ ｐ ｕ ｔ ｅ ｒ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃｅ ａ ｎ ｄ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇｙ Ｓ ｕ ｐ ｅ ｒｖ ｉ ｓ ｏ ｒ ： Ｊｕ ｎ ｌ ｉ ａ ｎ ｇ Ｃ ｈ ｅ ｎ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ： Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏｆ Ｃｏ ｍｐ ｕ ｔ ｅ ｒ Ｓｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ （ Ｎａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｐｉ ｌ ｏ ｔ Ｓｏ ｆｔｗａ ｒｅ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒｉ ｎ ｇ Ｓｃ ｈ ｏｏ ｌ ） Ｍａｙ ３ １ ， ２ ０ ２ １
独创性（或创新性）声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果， 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：+蓝 日期：221.6./ 关于论文使用授权的说明 本人完全了解并同意北京邮电大学有关保留、使用学位论文的规定，即：北京 邮电大学拥有以下关于学位论文的无偿使用权，具体包括：学校有权保留并向国家 有关部门或机构送交论文，有权允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，有权允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。（保密的学位论文在解 密后遵守此规定) 本人签名： 日期：221.6.1 、 导师签名： 日期：o.6.1 (C)1994-2021 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
独创 性 （ 或创新性） 声 明 本人声 明 所呈交 的 论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果 。 尽我所知 ， 除 了 文 中 特别加 以标注和 致谢 中 所罗 列 的 内 容 以外 ， 论文 中 不包含其他 人 已 经发表或撰写过 的 研究成果 ， 也不包含为获得北京 邮 电大学或其他教育机构 的 学位或证书而使用 过 的 材料 。 与我 一 同 工作 的 同 志对本研究所做 的 任何贡献均 已 在 论文 中 作了 明 确 的说 明 并表示了 谢意 。 申 请学位论文与资料若有不实之处 ， 本人承担一 切相关责任 。 本人签名 ： Ｉ 氛 日 期 ： 说Ｉ 乂 Ｉ — 、 关于论文使用 授权的说 明 本人完全 了 解并 同 意北京 邮 电大学有关保留 、 使用 学位论文 的 规定 ， 即 ： 北京 由 Ｐ 电大学拥 有 以下关于学位论文 的 无偿使用权 ， 具体包括 ： 学校有权保 留 并向 国 家 有关部 门 或机构送交论文 ， 有权允许学位论文被査 阅 和借 阅 ； 学校可 以 公布学位论 文 的全部或部分内 容 ， 有权允许采用 影 印 、 缩 印 或其 它 复制手段保存、 汇编学位论 文 ， 将学位论文 的 全部或部分 内 容编入有关数据库进行检索 。 （ 保密 的学位论文在解 密后遵守此规定） 本人签名 ： 日 期 ： ６ 、 Ｉ 导师签名 ： １ Ｉ ） 日 期 ： ＾° ４ 丨 』 ， 丨
基于突触可塑性的复杂系统中信息传输机制的研究 摘要 大脑皮层的信息传递是一个异常复杂的过程，神经信息如何在大脑 中进行整合与加工是21世纪科学界的重大挑战。计算神经科学作为一个 结合了生物、物理、数学和计算机等多交叉专业理论和知识的学科，为 理解大脑的信息传递机制开辟了新的路径。在生物脑的认知过程中，突 触可塑性起着关键性的作用，它与人类的学习、记忆和推理等高级认知 功能密切相关。所以突触可塑性对神经系统中信息传递机制的影响是近 年来脑科学研究的热点。本论文通过建立数学理论模型结合计算机模拟 计算的方法，重点关注了突触可塑性对两个耦合神经元、小世界神经网 络以及兴奋抑制平衡神经网络中同步和神经节律的影响。通过理论与实 验相结合，本论文主要工作和结论概括如下： l、深入研究了突触可塑性影响下的两个Hindmarsh-Rose神经元的 簇放电同步行为特性以及神经元的节律转迁过程，耦合方式包括电突触 和化学突触。同时，创造性地引入了一个衡量簇放电神经元同步特性的 数字特征参数，同步窗口。分别探讨了耦合强度与学习速率对耦合神经 元同步的影响以及突触可塑性对耦合神经元节律转迁的影响。研究结果 表明，电突触耦合对神经元的同步具有增强作用。此外，神经元的峰放 电同步和簇放电同步的相互转迁与神经元的初始放电状态具有密切的相 关性。而在化学突触耦合的情况下，无论耦合类型是兴奋性还是抑制性， 增加耦合强度都对神经元的峰放电同步有促进作用，但是兴奋性化学突 触耦合状态下神经元的同步变化更明显。 2、进一步考察了小世界神经元网络中的同步转迁与γ神经节律变 化。用具有不同放电模式的Izhikevich神经元模型，构建了一个具有小世 界网络拓扑结构的复杂网络模型来模拟大脑皮层的皮质区域。研究结果 表明，随着突触连接的权重和每个节点的最近邻耦合神经元个数的增加， C)1994-2021 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.net
基 于 突 触 可 塑性 的 复 杂 系 统 中 信 息传输机 制 的 研 究 摘 要 大脑皮层 的 信 息 传递是 一 个异 常复 杂 的 过程 ， 神 经信 息如 何在大脑 中 进行整合与加工是 ２ １ 世纪科学界 的重大挑 战 。 计 算神 经科学作 为 一 个 结合 了 生 物 、 物 理 、 数学 和 计 算机等 多 交叉专业理论 和 知 识 的 学 科 ， 为 理解大脑 的 信 息 传递机制 开辟 了 新 的 路 径 。 在 生物 脑 的 认知过程 中 ， 突 触可塑性起着关键性 的 作 用 ， 它 与 人类 的 学 习 、 记忆和 推理 等 高 级认知 功 能密 切 相 关 。 所 以 突触可塑性对神经 系统 中 信息传递机制 的 影 响是近 年来脑科 学 研究 的 热 点 。 本论 文通过建立 数学理论模型 结 合计 算机模拟 计算 的 方 法 ， 重 点 关注 了 突触可塑性对 两个耦合神 经元 、 小世 界神 经 网 络 以及兴奋抑 制 平衡 神经 网 络 中 同 步和 神 经 节律 的 影 响 。 通过理论与 实 验相结合 ， 本论文主要工 作和 结论概括如下 ： １ 、 深入 研究 了 突触可塑 性 影 响 下 的 两 个 Ｈｉ ｎｄｍａｒｓ ｈ－ Ｒｏ ｓ ｅ 神 经 元 的 簇放 电 同 步行 为 特性 以 及神 经元 的 节律转迁过程 ， 耦合方 式包括 电突触 和 化 学突 触 。 同 时 ， 创 造性地 引 入 了 一 个衡量簇放 电 神 经 元 同 步特性 的 数字特征参数 ， 同 步窗 口 。 分别探讨 了 耦合 强度与 学 习 速率对耦合 神 经 元 同 步 的 影 响 以 及突 触可塑性对耦合神 经元节律转迁 的 影 响 。 研究结果 表 明 ， 电 突触耦合对神 经 元 的 同 步具有 增强作 用 。 此外 ， 神 经 元 的 峰放 电 同 步和 簇放 电 同 步 的 相 互转迁与神经元 的 初 始放 电 状 态具 有密 切 的 相 关性 。 而在化 学突触耦合 的 情况下 ， 无论耦合类型是兴奋性还是抑 制性 ， 增 加耦合强度都对 神经元 的 峰 放 电 同 步 有促进作用 ， 但是兴奋性化 学突 触親合状态下神 经元 的 同 步变化更 明 显 。 ２ 、 进一 步考察 了 小 世界 神 经 元 网 络 中 的 同 步 转迁与 ｙ 神 经 节 律 变 化 。 用 具有不 同 放 电模式 的 Ｉ ｚｈｉ ｋｅｖ ｉ ｃｈ 神 经兀模型 ， 构建 了 一 个具有小世 界 网 络拓 扑结构 的 复 杂 网 络模型来模拟 大脑皮层 的 皮质 区域 。 研究结果 表 明 ， 随着突触连 接 的 权重和 每 个节 点 的最近邻耦合神 经元 个数 的 増加 ， Ｉ