人工神經網絡具有大規模的信息處理和存儲能力、良好的自適應性以及很強的學習功能、聯想功能和容錯功能。動態特性的研究一直是人工神經網絡理論研究的重點，主要原因在于人工神經網絡的應用都與網絡的動態特性有關。目前，神經網絡的研究主要是基于層級網絡，其拓撲不能模擬真實生物神經網絡。小世界網絡作為大量真實復雜系統的高度抽象，具有生物神經網絡特性。本研究首先構建了小世界網絡并基于復雜網路理論選擇出適合于小世界網絡的最佳參數，進而基于突觸可塑性調節機制和小世界網絡拓撲構建了小世界神經網絡，并從放電特性、突觸權重動態特性和復雜網絡特性三個方面分析了小世界神經網絡的動態特性。實驗結果表明：隨著時間的增加，小世界神經網絡的興奮性與抑制性神經元放電模式沒有改變且神經元的放電時間趨于同步；小世界神經網絡中各神經元間的突觸權重急劇減小最終趨于穩定；網絡的連接減弱且信息傳遞效率降低，但小世界屬性較為穩定。小世界神經網絡的動態特性隨時間而變化且相互影響：網絡的放電同步特性可影響突觸權重趨于最小值分布，進而突觸權重的動態變化也可影響復雜網絡特性。
生物神經網絡具有小世界屬性和無標度屬性的雙重特性，目前神經網絡的研究大多基于小世界網絡或聚類系數較低的無標度網絡，而真實腦網絡為具有小世界屬性的無標度網絡。為此本文構建了一個聚類系數較高的具有小世界屬性的無標度脈沖神經網絡，并從突觸調節過程、放電特性和復雜網絡特性三個方面分析了網絡的動態演化過程。實驗結果表明，隨著時間的進行，突觸強度逐漸減小并趨于穩定，導致網絡的連接強度減弱并趨于穩定；神經元的放電率逐漸減小并趨于穩定，同步性逐漸變差；網絡局部信息傳輸效率穩定，全局信息傳輸效率降低并趨于穩定，小世界屬性比較穩定。無標度神經網絡的動態特性隨時間變化且相互影響，突觸的調節是基于神經元放電時刻的，突觸的調節會影響神經元放電情況和網絡的復雜特性。本文構建了具有生物真實性的無標度脈沖神經網絡，為人工神經網絡的研究及其工程應用奠定了基礎。
在類腦人工智能高速發展、電磁環境日益復雜的現狀下，最具有仿生特性和抗干擾性的脈沖神經網絡在計算速度、實時信息處理、時空數據處理上表現出巨大的潛能。脈沖神經網絡是類腦人工智能的核心之一，通過模擬生物體神經網絡結構和信息傳遞方式來實現類腦計算。本文首先總結五種神經元模型的優缺點和適用性，分析五種網絡拓撲結構的特征；其次綜述脈沖神經網絡算法，從無監督學習和有監督學習兩個角度總結基于突觸可塑性規則的無監督學習算法和四類監督學習算法；最后重點綜述國內外在研的類腦神經形態芯片。本文旨在通過系統性的總結，為初入脈沖神經網絡研究領域的同行提供學習思路和研究方向。
【摘 要】 目的 探討維甲酸對軟骨細胞凋亡的影響及細胞內IGF-2 的表達規律。 方法 1 月齡雄性中國白兔1 只，體重約500 g。取兔雙膝關節股骨髁軟骨，采用胰酶消化法體外培養白兔軟骨細胞。取第2 代軟骨細胞，培養液內加入終濃度為1×10-6 mol/L 的全反式維甲酸（all-trans-retinoic acid，ATRA）25 μL（實驗組），作用24 h；對照組加入25 μL DMEM 液作為對照。采用細胞免疫組織化學法觀察軟骨細胞中Ⅱ型膠原的分泌變化，流式細胞儀檢測軟骨細胞凋亡率，RT-PCR 半定量分析軟骨細胞中IGF-2 mRNA 的表達，Western blot 印跡雜交鑒定軟骨細胞中IGF-2 蛋白質表達。 結 果 實驗組ATRA 抑制了軟骨細胞中Ⅱ型膠原的表達。流式細胞儀檢測實驗組軟骨細胞凋亡率為21% ± 2%，較對照組（5% ± 1%）增加了5 倍；RT-PCR 檢測實驗組IGF-2 mRNA 的表達為0.2 ± 0.1，較對照組（0.8 ± 0.2）降低75%；Western blot 印跡雜交分析發現，實驗組軟骨細胞IGF-2 的表達為0.3 ± 0.1，較對照組（0.7 ± 0.2）降低了57％；各指標組間比較差異均有統計學意義（P lt; 0.05）。 結論 維甲酸可能通過抑制軟骨細胞靶基因IGF-2 的表達，負性調節軟骨細胞分泌和增殖功能，促進軟骨細胞凋亡。
經顱直流電刺激（tDCS）是一種腦刺激干預技術，目前刺激參數的選取缺乏統一標準。本文構建了四層真實頭模型，應用有限元仿真技術分析了大腦電場分布隨電流強度、電極形狀和面積以及電極間距等的變化，探討了電刺激參數的優選方案。結果顯示，隨著電流強度增加，有效刺激區域呈減少趨勢，聚焦性增強；四邊形電極作用后的法向電流密度明顯大于圓形電極的數值，這意味著四邊形電極更有利于對神經元的刺激，同時有效刺激區域集中，聚焦性更強；隨著電極面積增大，聚焦性減弱；隨著電極間距的增大，聚焦性呈先增強后減弱的趨勢，最佳電極間距為 64.0～67.2 mm。本研究結果可為電刺激參數的選取提供一定的依據。
經顱直流電刺激（tDCS）作為一種新興的無創腦刺激技術，在腦卒中康復領域受到越來越多的關注，然而，其作用效應有待進一步研究。tDCS刺激模式包括雙極刺激模式、陽極刺激模式以及陰極刺激模式，本文納入了19例腦卒中患者（10例患者大腦左側受損，9例患者大腦右側受損），采集受試者雙極刺激、陽極刺激、陰極刺激以及偽刺激在刺激前、后的靜息態腦電圖（EEG）信號，其中偽刺激作為對照組，對比分析刺激前、后EEG信號多尺度固有模糊熵（MIFE）的變化。結果發現，左側病灶患者雙極刺激后額葉和中央區的MIFE值增大且差異具有統計學意義（P < 0.05），陽極刺激后左側中央區的MIFE值增大且差異具有統計學意義（P < 0.05），陰極刺激后額葉和右側中央區的MIFE值增大且差異具有統計學意義（P < 0.05）；右側病灶患者雙極刺激后額葉、中央區和頂枕聯合區的MIFE值增大且差異具有統計學意義（P < 0.05），陽極刺激后左額葉和右側中央區的MIFE值增大且差異具有統計學意義（P < 0.05），陰極刺激后中央區和右枕葉區的MIFE值增大且差異具有統計學意義（P < 0.05）；而偽刺激前、后差異不具有統計學意義（P > 0.05）；由此發現雙極刺激模式影響的腦區范圍最大。本研究或可為腦卒中后康復的臨床研究提供一定的參考價值。
為探究生物神經網絡的自組織抗擾特性, 進而為電子系統的電磁仿生防護提供新的思路和方法, 本文基于神經網絡中信息傳遞的機制和脈沖時間依賴突觸可塑性(STDP)機制, 探討了突觸可塑性與生物自適應特性的關系, 然后選取Izhikevich神經元模型作為基本單元, 以STDP機制調節的突觸為橋梁, 構建了四層的前饋神經網絡模型, 最后分析了該網絡的自適應抗擾能力。仿真結果表明, 基于STDP機制的神經網絡具有很好的抗擾能力, 且這種特性與STDP機制密切相關。基于此仿真工作將進一步進行領域轉換, 搭建模擬生物神經系統信息處理機制的神經元及突觸的單元電路, 并以該單元電路為基礎設計具有自適應抗擾的電子電路。
經顱直流電刺激（tDCS）作為一種新興的非侵入性腦刺激技術，對腦卒中疾病的康復作用目前尚未明確。本文結合腦電圖（EEG）與復雜網絡分析方法研究了 tDCS 對腦卒中患者康復期腦功能網絡的影響。試驗采集了 31 名腦卒中患者康復期的靜息態 EEG 信號，其中 16 名患者作為試驗組施加真刺激，15 名患者作為對照組施加偽刺激。利用皮爾遜相關系數法計算 EEG 信號之間的相關系數，并構建了兩組受試者 tDCS 刺激前、后的腦功能網絡，分析對比了不同狀態下腦功能網絡的節點度、聚類系數、特征路徑長度、全局效率和“小世界”屬性 5 個特征參數。結果發現，tDCS 真刺激后腦卒中患者腦功能網絡的節點度、聚類系數、全局效率和“小世界”屬性顯著升高，特征路徑長度顯著降低，且差異具有統計學意義（P < 0.05）。該結果表明 tDCS 能夠改善腦卒中患者康復期的腦功能網絡，本研究可為 tDCS 應用于腦卒中康復治療提供理論和試驗依據。
經顱直流電刺激（tDCS）已成為卒中后康復治療的新手段，并且逐漸被人們所接受。然而，tDCS治療腦卒中的神經生理機制仍需進一步探討。本文納入了30例大腦左側受損的腦卒中患者，隨機分為tDCS真刺激組（15例）和tDCS偽刺激組（15例）。采集兩組受試者刺激前、后的靜息態腦電（EEG）信號，分析對比刺激前、后EEG信號δ、θ、α和β頻帶的功率譜密度差異，并計算了δ/α功率比值（DAR）。結果發現，真刺激后δ頻帶能量在左顳葉區明顯降低，差異具有統計學意義（P < 0.05）；α頻帶能量在枕葉區明顯增強，差異具有統計學意義（P < 0.05）；θ和β頻帶能量在整個腦區的差異不具有統計學意義（P > 0.05）。偽刺激前、后δ、θ、α和β頻帶能量在整個腦區的差異不具有統計學意義（P > 0.05）。另一方面，真刺激后腦卒中患者的DAR值明顯降低，差異具有統計學意義（P < 0.05），偽刺激后DAR值差異不具有統計學意義（P > 0.05）。本研究在一定程度上揭示了tDCS治療腦卒中的神經生理機制。
后穩定型全膝關節假體已經被廣泛應用于骨科臨床治療膝骨關節炎，但是脛骨襯墊立柱的磨損、斷裂以及假體松動等失效問題依然困擾著患者和醫生。了解患者體內膝關節假體的生物力學特性有利于降低術后的假體翻修率和患者不滿意度。本文針對6種不同后穩定型全膝關節假體分別建立了全膝關節置換的骨肌多體動力學模型，在模擬走路、右轉和下蹲3種生理活動下，對比研究了6種后穩定型全膝關節假體的生物力學差異。結果表明，在走路、右轉和下蹲活動中PFC Sigma和 Scorpio NGR兩種假體的立柱所受接觸力較大，增加了立柱斷裂和磨損破壞以及假體早期松動的風險。Gemini SL的螺旋型立柱設計更有利于膝關節的內外旋轉運動，同時避免了立柱邊沿接觸磨損。后穩定型全膝關節假體矢狀面較低的關節面匹配度設計和較晚的立柱-凸輪相遇接觸設計將導致較大的前后平移運動。本文為臨床指導醫生選擇、改進假體設計和降低假體失效提供了理論支撐。