神經網絡分子通信模型分析

程瑤

摘要：本文主要探究了以流體介質與神經元為載體的分子通信混合信道，并進一步分析了基于混合信道的人體內所存的各種類型生物介質與信號。在生理方面，不同介質之間是相互依賴的關系，而且能夠相互傳播信號以及能量，能夠有效實現跨介質信道建模的構建。由于流體血管和神經元網絡是非常關鍵的生物介質，因此基于兩者相結合所建立的混合通信模型具有非常重要的現實意義。

關鍵詞：神經網絡;分子通信模型;神經元;流體

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）03-0180-02

1 神經網絡架構與通信性質

血管與神經元共同組成的簡易網絡架構圖，具體如圖1所示。其中，血管網絡則包含三部分，即靜脈、動脈、毛細血管。其中，靜脈與動脈與心臟直接性相連，是身體內營養物質相互交換的重要通道。而毛細血管則位于動脈和靜脈相連接的位置上，主要是提供養料給距離心臟位置比較遠的部分。而神經系統主要包含兩大部分，即中樞神經網絡與外圍神經網絡。其中，外圍神經網絡位于人體的各個位置，主要任務是傳感與傳輸身體外部的相關信息。而中樞神經網絡則是位于人體的頭部，是神經系統的關鍵性環節，主要任務是存儲和處理信息。

血管和神經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行位移和反應得以進行的。因為系統太過復雜，彼此間分子位移和反應機制十分繁雜。在此領域，生物界依舊存有許多疑惑。但是以既有知識體系作為重要基礎，血管和神經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，血管與神經元之間處于相互依賴生存的關系，這就直接決定了兩者都不具有雙方所具備物質或能量，因此，只有在雙方實現物質和能量彼此交換后，才能夠以此作為依賴得以生存。而在交互通信過程中，生物化學反應也存在明顯的雙向性，其中平衡點與酶的作用之間密切相關。在化學反應平衡點打破的時候，也就代表著全新的交互通信作用也隨之產生。其二，交互通信是一項多線程過程。此過程在相同的時間下，各種分子和離子等給予多項空間位置進行交互的過程。在空間范圍內，靜脈、動脈、毛細血管、中樞神經網絡、外圍神經網絡之間實現彼此交互。血管與神經元兩大網絡費分布十分廣泛，生長也極具纏繞性，這就導致交互的位置非常多元化。雖然位置相同，可通信的生物化學反應也是以各種類型分子與離子為載體，切實參與了整個通信過程，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部逐漸構成所謂的流體，再以血管和神經元通道為載體進一步實現交互通信，然后生物受體得以吸收。

2 神經網絡單向單線性通信過程

為了進一步將物理機制簡化，構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元的方向進行傳輸。在血管壁上附著著發送納米機，如果這一位置是靜態的。這樣一來，發送納米機進行調制編碼之后，則會慢慢順著流體介質通道，漸漸涌入，釋放出擴散運動狀態的信號分析。但是，接收納米機是在神經元上附著的，而且其具有接收并解碼神經信號的功能。另外，中繼納米機則是依附于血管與神經元細胞的中間位置上，其具有中繼傳輸和轉換神經信號的良好功能，能夠將血管的相關活動信息全面感知到，然后及時收集，再傳輸給大腦中樞。其中發送納米機與接收納米機也可以是人造細胞與人工神經元，而中繼納米機則是傳感神經元或者膠質細胞等一系列自然存在的單元，同時也可以是人工神經元。

在通信時，主要包含兩個子信道通信，不同信號的中繼過程。如果系統是就時隙為依據，進行同步傳輸，在不同的時隙間，所對應的比特不同，以此為載體進行傳輸。在時隙中發送納米機編碼比特信息，以此作為血液分子信號，這代表著輸入信號。在分子得到釋放后及時流進血液中，在血液流動的帶動下，分子開始不斷漂移擴散，以此實現傳輸。發送納米機主要是基于開關鍵模式進行信息調制，其中發送分子調制比特為1，不發送分子調制比特為0。中繼納米機也具有相應功能，能夠感知血管分子，在分子大量集中到其所能感受到的區域范圍內時，可以就感知分子量或濃度，不斷向周圍的神經元中釋放電流信號，就是所謂的中繼信號。支血管和毛細血管與心臟位置距離比較遠，血液流動相對穩定，因此不用對血液流動速度中的異常進行考慮。血液流體動態和拋物線分布明確相符，主要由以下公式進行表示：

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）代表神經元動態電壓，其與中繼納米機釋放的離子數、離子穿透概率密切相關。而且為了實現信息中繼，神經元動態電壓需要和中繼納米機接收的分子數處于正相關關系，具體表示為：

在單位時隙中，所接收信號分子數量逐漸增多，激發的神經元動態電壓則會隨之增強。在波形離子電流中，正弦波形對神經元的刺激效果最為顯著。所以，利用正弦波離子流實例，具體為：

μ代表信號分子所釋放出來的離子流強度，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。因為許多中繼納米機同時合成對神經元產生刺激，神經元膜部分的電壓也會彼此疊加，而其全局電壓V（t）和中繼納米機釋放離子電流累積相關，則給予霍奇金赫胥黎（HH）模型建模，具體為：

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

φ代表脈沖波形，在滿足條件相關條件時，時刻激發產生。產生脈沖信號之后，V（t）會及時回復到休止電位下，這中間的時間大約在15ms，也就是神經學中所謂的絕對不應期。

產生神經元脈沖信號之后，其會在子信道上進行全面傳輸，傳輸延遲則與神經元的類型、長度以及脈沖信號的分布息息相關。在前層與后層神經元中，進行信息傳輸，電壓脈沖基于胞體出發，順著軸突纖維的方向實現傳輸，再通過囊泡將化學遞質信號釋放出來，以此方式基于間隙信道進行傳輸，進而對其他神經元形成適當刺激，最終形成電脈沖信號。

3 結語

總之，混合信道可以實現各種介質的傳播，而信道模型則是通過在流體介質擴散信道和神經元脈沖電信號進行有機交換，以此中繼異構信道的相關信息。混合信道模型研究進一步擴展到了新型多種生物介質中，其在很大程度上為分子通信接口設計與實踐應用奠定了堅實的基礎。另外，在具體應用中，從血管到神經元的單向信道模型構建在很大程度上位進行血管健康狀態監測提供了有力幫助，不僅可以基于生物傳感獲知血管的狀態信息，還可以基于神經元信息進行傳輸，然后通過身體外部設備加以獲取。

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【通聯編輯：光文玲】