生物光子传递与人工光量子视网膜建模

论文摘要

研究背景:视网膜是视觉信息采集、加工和处理的第一站,它具有明显的层次结构和清楚的从感光细胞、双极细胞到神经节细胞的双层次水平突触连接信息传递通路。传统的理论认为,视网膜的信息传递是通过感光细胞对外界光的反应转换为生物电信号来实现的,然后通过结合生物电传递和化学突触传递的交替转换形成视网膜生物电（动作电位）整合信息,最后通过视网膜节细胞汇聚的中枢投射纤维--视神经将信息传递到高级视觉中枢。最近的研究发现表明,生物光子可能在视网膜的信息传递上扮演重要的角色,涉及到“光量子脑”机制,提示生物光子可以作为视网膜信息传递信号。在本研究中,我们首先观察视网膜神经通路是否能直接实现光信息传递,然后通过建立“人工光量子视网膜”模型来模拟视网膜的光信息传递和处理机制,力求建立视觉信息处理的模拟算法。研究材料和方法:制备牛蛙离体“视网膜--巩膜--视神经”标本,采用超弱生物光子成像系统对标本的视神经处进行实时成像并使用不同强度和频率的白光对视网膜进行刺激,使用图像分析软件对图像信息进行提取和分析;基于视网膜的感光细胞--双极细胞--神经节细胞的双层次水平突触连接通路结构特征,使用塑料光纤来构建“人工光量子视网膜”模型。通过分析“理论视网膜”模拟“感知”和“人工光量子视网膜”模型直接“感知”数字0-9的手写图像集来建立新的“算法模型”,进而评估构建的“人工光量子视网膜”能否预测“识别”数字0-9的手写图像集。实验结果:不同强度和频率的白光刺激有活性的离体牛蛙视网膜导致视神经残端区域生物光子辐射明显增强,而失活的视网膜视神经残端区域没有发生改变,提示光刺激牛蛙视网膜导致了生物光子信号在视网膜神经通路上传递并最终到达了视神经。基于“理论视网膜”模拟“感知”的结果和构建的“算法模型”分析提示,我们建立的“人工光量子视网膜”有可能直接“感知识别”数字0-9的手写图像,但研究工作有待进一步完成、分析和验证。这些发现提示生物光子可能在视网膜信号传递通路中起到重要的信息媒介作用,而由此构建的“人工光量子视网膜”为开发新的“人工智能（AI）视觉系统”提供了新思路和方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 前言
•   1.1 视网膜的主要功能结构
•     1.1.1 感光细胞
•     1.1.2 双极细胞
•     1.1.3 神经节细胞
•   1.2 视网膜信息传递
•     1.2.1 化学信息传递
•     1.2.2 电信息传递
•     1.2.3 光信息传递
•   1.3 生物光子与视网膜
•     1.3.1 生物光子的概念
•     1.3.2 生物光子研究历史
•     1.3.3 生物光子参与视知觉
•     1.3.4 生物光子、神经信息传递与光量子脑
•     1.3.5 视觉皮层功能柱
•   1.4 神经网络
•     1.4.1 神经网络的基本原理
•     1.4.2 卷积神经网络
•     1.4.3 视网膜神经网络
•   1.5 人工视网膜
•   1.6 本课题的研究思路、研究目标和主要研究内容
•     1.6.1 研究思路
•     1.6.2 研究目标
•     1.6.3 研究内容
• 第2章 光刺激离体牛蛙视网膜
•   2.1 引言
•   2.2 材料与方法
•     2.2.1 实验动物
•     2.2.2 实验药品
•     2.2.3 实验仪器与设备
•     2.2.4 实验试剂配方
•     2.2.5 超弱生物光子成像系统（UBIS）和光刺激视网膜示意图
•     2.2.6 实验方法与步骤
•   2.3 实验结果
•     2.3.1 活性与失活视网膜标本光刺激效果对比
•     2.3.2 不同强度和频率的光刺激后光刺激区域的反应效果
•     2.3.3 不同强度和频率的光刺激后视神经区域的反应效果
•     2.3.4 不同强度和频率的光刺激后视网膜周边区域的反应效果
•     2.3.5 不同强度和频率光刺激后不同区域的反应效果的相关性分析
• 第3章 人工光量子视网膜
•   3.1 “人工光量子视网膜”模型的建立
•     3.1.1 材料与仪器
•     3.1.2 “人工光量子视网膜”的设计思路
•   3.2 TSL2581 光—数字转换器
•   3.3 STM32F7 开发板
•   3.4 测试数字图像数据集的下载和读取
•     3.4.1 测试数字图像数据集的下载
•     3.4.2 图像数据集读取
•   3.5 “模拟视网膜”对数字图像集的“感知”和分析
•   3.6 “人工光量子视网膜”对数字图像集的信息预测“感知”和分析
•   3.7 结果与分析
•     3.7.1 “模拟视网膜”对数字图像集的“感知”结果和分析
• 第4章 讨论
•   4.1 光刺激离体视网膜导致的生物光子传递
•   4.2 “光量子视网膜”设计和模拟
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 党焕楠

导师: 戴甲培

关键词: 牛蛙视网膜,感光细胞,双极细胞,神经节细胞,视网膜神经通路,生物光子,人工光量子视网膜,算法,人工智能视觉系统

来源: 中南民族大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技

专业: 物理学,生物医学工程

单位: 中南民族大学

基金: 国家自然科学基金(31070961,31640034),湖北省科技支持计划(2014bec086),中南民族大学研究团队基金(XTZ15014 和 CZP18008)

分类号: R318.03;O431.2

总页数: 63

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