噪声在听觉神经信息处理中的随机共振现象及控制机制

论文总字数：17355字

摘 要

听觉神经系统是人类一种重要的神经系统，它同时也是一个复杂的非线性系统，它具有良好的信息处理能力，尤其是其对含噪信号的处理。

本论文着重于探究非线性系统中噪声的有益性，并把噪声的有益性分为弱激励信号（阈下）和强激励信号（饱和）两种，分别建立阵列模型，导出信噪比增益的表达式，数值模拟结果表明，含噪声的非线性系统的传输效果会得到提高，这种随机共振现象对于实际的听觉神经信息处理系统具有重要作用。

关键词：听觉神经系统 非线性系统 饱和 信噪比 阵列随机共振

STOCHASIC REAONANCE PHENOMENA AND CONTROL MECHANISM OF NOISE IN AUDITORY NEURAL INFORMATION PROCESSING

Abstract

Auditory nervous system is an important nervous system for human. Meanwhile it is a complex nonlinear system, usually processing and analyzing noisy auditory signals.

In this paper, we focus on the research of noise in nonlinear system. The noise is divided into weak excitation signal (threshold) and strong excitation signal (saturation). Then the models are established separately to calculate and analyze and the expression of SNR gain can be derived. Numerical simulation results show that the signal transmission in a nonlinear system can be improved. This stochastic resonance phenomenon plays an important role in the practical information processing.

KEY WORDS: Auditory nervous system ， Nonlinear system， Saturation， SNR, Array stochastic resonance

目 录

摘要 ……………………………………………………………………………………2

Abstract ………………………………………………………………………………3

1. 绪论 ………………………………………………………………………5

1.1 听觉神经信息处理系统………………………………………………………5

1.2 随机共振 …………………………………………………………………6

1.3 本文的研究目的和主要研究内容……………………………………………7

1. 模型及结论 …………………………………………………………………10

2.1 静态非线性并行阵列中的弱周期随机共振模型……………………………10

2.2 饱和动力学子系统下非耦合并行阵列中的集体响应输入输出增益模型…21

1. 全文总结………………………………………………………………………28

致谢 ……………………………………………………………………………………30

参考文献（References） ………………………………………………………………31

1. 绪 论

总所周知，在我们的日常生活中，感官系统扮演者重要的角色，其中听觉系统是除视觉系统之外接受信息量最大的感官系统，其重要性不言而喻。良好的听觉系统有助于提高婴幼儿的智力发育，提高语言能力和人际交往能力。我们参考美国的一项调查结果：在美国，大约平均每一千名新生儿中，就会有一名遭遇重度耳聋的困扰，而在对青春期儿童的调查中，又有大约同等比例的儿童患病。调查结果显示，伴随着年龄增长，听力受损的人数逐步递增，在八十岁以上的老人的调查中，大约有半数都患有耳聋，因此，我们对于听觉系统的研究便具有了重大意义。

1.1 听觉神经信息处理系统

因为听觉神经系统对人类有着十分重要的意义，所以它吸引着研究者们进行探索。对于哺乳动物而言，听觉系统的信息处理核心位于头骨内，而头骨不但十分坚硬，并且结构非常精妙复杂，它包含了动物身体上最小的骨头、肌肉以及最小的器官——耳蜗，这对研究者们研究听觉系统来说是一个巨大的困难。因此，在很长的一段时间内，人们都只是停留在对听觉器官大致的了解，一直到了十九世纪初期，由于微观技术日渐成熟，人们基本上完整的了解了听觉系统的构造：它包括螺旋器、盖膜、柱细胞、外毛细胞、柯替隧道以及基底膜。

到了十九世纪末，伴随三个伟大发明——收音机、电报和电话的出现，听觉在人们日常生活中的作用得到了极大的提升。与此同时，大批科学家开始了对听觉的研究。

听觉系统的核心信息处理系统存在于耳蜗内，因此，研究者们对于听觉的研究主要集中于对耳蜗基底膜特性和功能的研究。比如说Helmholtz等人在1857年提出的共鸣理论，又称为听觉共振位置学说。他们认为耳蜗中的基底膜可近似的看成是一排共振器，频率从耳蜗顶到耳蜗低由高到低。当有一个声音信号传入时，就会发生共振现象，通过这样的过程，不同的音调就会在耳蜗基底膜上有特定位置上，并且这些位置都会与特定的神经细胞相连。然而，Helmholtz的共鸣理论在后来的试验中被证明是错误的。实验证明，基底膜的神经并不能作为共振器，因为它们之间是相互连接的，而且神经纤维的数量也不足够多。

Helmholtz的共振理论在1928被彻底否定，Georg通过一系列的实验证明，当弹性物体受到外来的震动时，就会以波的形式产生一种运动，也就是我们所说的行波。而在耳蜗的基地膜上，研究发现其纵向、横向的张力基本相同，换句话说，耳蜗基底膜上的纤维并不能被视为共振器。同时，他还发现基底膜从顶部到底部的硬度和宽度都是不同的。根据这些重要发现，Georg简单制作了一个人的内耳机械模型，并用机械遥感来感应震动，他发现当行波的频率不同时，模型会在不同的位置出现最大振幅的波动。这一发现在之后的试验中得以证明，它符合人体耳蜗的声音传输特性，高频的声音信号会出现在耳蜗底部，而低频的声音信号会在耳蜗顶部引起最大波动。Gerog的这一实验使得他获得了1961年的诺贝尔生理学奖，他的工作使我们对听觉系统的工作机制有了进一步的了解，但是由于他的实验只停留在模型和非活体实验对象上，使得他的理论也出现了一些片面性

首次对活体实验对象进行实验观测是在1971年，Rhode等人的松鼠猴实验发现，其实基底膜模型步非完全向Gerog所设想的那样。他们在实验中发现基底膜的震动存在两音抑制现象，而且神经响应曲线要比之前观察到的更为尖锐。到了1978年，Kemp等人通过听觉系统瞬态声刺激的实验，发现了除刺激信号之外的信号，他们认为是耳蜗中的某种机制产生了这个信号，这种现象被命名为耳声发射。之后，又有很多其它的研究者和相关实验证明了内耳中的这种机制，于是，人们开始对内耳环境内存在主动机制的理论进行了生理学实验。

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