受生物啟發(fā)的脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)的計算能力研究.pdf

1、經(jīng)過近幾十年的發(fā)展,人們希望第四代計算機(jī)(即超大規(guī)模集成電路計算機(jī))具有更多的類似人的智能,于是開始尋找第五代的計算機(jī)來取代它們,例如:生物計算機(jī),量子計算機(jī)等。其中膜計算是生物計算的重要分支,它通過模擬細(xì)胞及其組織的結(jié)構(gòu)與功能,構(gòu)造出具有分布式結(jié)構(gòu)的并行計算模型。我們研究的是其中一種網(wǎng)狀膜系統(tǒng),即脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)。這種膜計算模型源自于生物神經(jīng)系統(tǒng)中神經(jīng)元通過突觸傳遞脈沖交換信息的機(jī)制。本文通過結(jié)合形式語言和自動機(jī)理論,從語言的產(chǎn)生能力、

2、計算通用性和有效性以及數(shù)的識別能力幾方面,對多種具有其它生物特性的脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)進(jìn)行了研究,主要工作如下:
　　針對神經(jīng)元周圍的星狀神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞可以對神經(jīng)元間的相互左右產(chǎn)生重要影響的現(xiàn)象,本文建立了一種具有星細(xì)胞的脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)。通過模擬注冊機(jī),證明了在同步模式下,該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)計算通用性。如果我們限制系統(tǒng)中每個神經(jīng)元中的脈沖數(shù)目,那么該系統(tǒng)可以刻畫自然數(shù)的半線性集合。另外在異步工作模式下,這種神經(jīng)元和星細(xì)胞結(jié)合起來的新系統(tǒng)也是等價

3、于圖靈機(jī)的。這些結(jié)果表明,盡管神經(jīng)元很簡單,但是它組成的網(wǎng)絡(luò)卻可以具有很強(qiáng)的計算能力。
　　針對Ibarra等人提出的,使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則的異步脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)是否具有通用性的公開問題,本文提出了一種具有激發(fā)時限的異步模式,在此模式下,所有的激發(fā)規(guī)則都具有同一個激發(fā)時限,我們通過模擬注冊機(jī),證明了使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則的脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)可以達(dá)到計算通用性,解決了公開問題。
　　在經(jīng)典的脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)中,判斷一條激發(fā)規(guī)則的使用與否,有時可能是NP

4、困難的,這在某種程度上也不符合生物神經(jīng)系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)。本文引入細(xì)胞膜電勢來代替脈沖值,建立了一種新的規(guī)則判斷方式,避免了大量的計算損耗。另外用有理數(shù)取代自然數(shù)來表示各種參數(shù),使系統(tǒng)可以處理跟有理數(shù)有關(guān)的問題,提升了系統(tǒng)的功能與計算能力,擴(kuò)大了解決問題的范圍。通過模擬注冊機(jī),我們證明了這種帶權(quán)值的脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)計算通用性,并能求解計算困難問題。該系統(tǒng)使用自然數(shù)來表示各種參數(shù)時,只能刻畫數(shù)字的半線性集合。
　　針對脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)的