第五章神经编码与信息表示 — 知识点笔记综合来源课件5PDF61页、课堂笔记CSDN、期末复习课录音占位图超级压缩第五章感知编码机制脑依赖感知神经元把外界刺激转换成脉冲信息视(亮:视网膜的神经节细胞具有感受野 中心环绕结构 ON亮OFF暗 扩环反弱 色:P型神经节细胞)听(声音传播到耳蜗→引发毛细胞形变 外放大 内转神经信号)味(单个细胞响应多种味道一种味道由多个细胞感受)嗅(气分在纤毛中产生缓慢受体电位→触发动作电位)触(形变触发离子通道变化 → 产生动作电位)脉冲编码将感知信号转换为脉冲序列的过程频率 VS 时间①编码方式时间窗内脉冲个数与输入成正比/时间间隔表意②信息载体脉冲频率数量/精确发放时间③优势抗噪易测/事件驱动 信息量多④劣势忽略时序信息/复杂均匀像素归一化作为发放频率/脉冲间隔一致(发早刺激大)泊松每刻生成[0,1]随机数→小就发/变异但有噪声时间编码必要性①频编忽略精确时间 → 无法解释快速响应②信息量大迟滞TTFS刺激越强脉冲发放越早。/计算少 但精度低等级排序相对大小划分强度等级,每级对应固定发放时间/(↑)只需发一;无需精确;计算快(↓)丢弃后信息;忽略内部差异编码方式 核心思想 优点 缺点Direct coding (直接编码) 用连续值直接表示信号 • 无采样误差信息保真度高• 无时间延迟• 实现简单 • 不符合生物神经机制• 不是脉冲表示非事件驱动• 能耗高Rate coding (频率编码) 泊松均匀 用时间窗口内平均发放率表示信息 • 生物合理性强• 稳定、易实现• 易与ANN对接• 表达能力强• 延迟高需要统计时间• 能耗高spike多• 对动态信号不敏感• 补充说明忽略精确时间无法解释快速响应均匀像素归一化作为发放频率/脉冲间隔一致(发早刺激大)泊松每刻生成[0,1]随机数→小就发/变异但有噪声Phase coding (相位编码) 用spike在振荡周期中的相位表示信息 • 传输效率高• 抗噪声能力强• 时间精度高 • 受振荡频率限制• 难以表示快速变化信号• 实现复杂需振荡机制• 补充说明由正负OUT神经元组成编码单元对应像素点和膜电压震荡相位Burst coding (爆发编码) 用一组高频spikeburst结构表示信息 • 信息表达丰富burst结构• 抗噪声强• 传输效率高 • 计算复杂需跟踪ISI• 解码困难• 模型实现复杂• 补充说明信息在发放时间/数量/间隔兼顾频编和时编TTFS coding (首脉冲时间编码)5.1 感知编码机制大脑依赖感知神经元把外界刺激转换成脉冲信息类似于模数转换A/D转换。触觉形变触发离子通道变化 → 产生动作电位肌肉纺锤体拉伸受体脉冲数量随施加力增加而增加Adrian, 1926听觉声音传播到耳蜗→引发毛细胞形变外毛细胞放大作用内毛细胞传递声波为神经信号每条神经纤维有独特的音调和音量模式内耳对声波进行稀疏编码——仅将敏感声音上传视觉 ⭐视网膜中的神经节细胞具有感受野Receptive Field感受野结构中心-环绕结构Center-SurroundON-center中心亮时强烈发放OFF-center中心暗点时强烈发放暗点扩大到环绕区→响应反而减弱颜色编码P型神经节细胞具有颜色拮抗的感受野人类视网膜10⁸感光细胞→10⁶神经节细胞信息压缩100倍【图片感受野结构与明暗边缘响应 — 课件5 第6-7页】味觉单个细胞响应多种味道一种味道由多个细胞感受群体编码四种基本味觉甜(Sucrose)、咸(NaCl)、酸(HCl)、苦(Quinine)不同细胞对各味觉的敏感性不同嗅觉气味分子在纤毛中产生缓慢的受体电位→触发动作电位每个受体细胞表达一种嗅觉受体蛋白单个细胞对多种气味有反应但偏好不同通过多个细胞反应可区分不同气味→群体编码【图片嗅觉受体细胞编码 — 课件5 第10-11页】5.2 脉冲编码概述定义外界输入信息经过神经编码后以时空脉冲模式Spatio-Temporal Spike Patterns形式参与计算。将感知信号转换为脉冲序列的过程称为脉冲编码Spike Coding。两大类别编码类型携带信息的方式核心思想频率编码Rate Coding脉冲发放频率/数量时间窗内脉冲个数与输入实数值成正比时间编码Temporal Coding脉冲精确发放时间脉冲发生的精确时刻携带信息【图片频率编码vs时间编码对比 — 课件5 第26页】5.3 频率编码 ⭐基本原理时间窗内脉冲发放个数与输入实数值成正比脉冲发放频率 时间窗内脉冲个数 / 时间窗长度时间窗需合理选择太短→脉冲稀疏太长→过度平滑频率编码 vs 时间编码 总对比对比维度频率编码时间编码编码方法窗口内脉冲计数忽略时间结构时间间隔表达信息描述快速变化优势抗噪性强、易测量事件驱动、传递更多信息缺点忽略精确时间中的信息计算复杂不适用于当前计算机架构(1) 均匀编码Uniform Coding像素值归一化到[0,1]→作为发放频率脉冲在时间窗口内均匀分布间隔相等优势脉冲发放越早→刺激越大仅看第一个脉冲即可知谁最大保持了频率信息 时间顺序信息(2) 泊松编码Poisson Coding生物神经元脉冲发放近似泊松过程每个时刻生成[0,1]随机数→小于输入像素值则发放脉冲脉冲数量近似与输入成正比但具有随机性优势符合生物特性具有变异性不足引入了随机噪声【图片均匀编码与泊松编码脉冲发放图 — 课件5 第29-32页】5.4 时间编码 ⭐⭐为什么需要时间编码生物系统对刺激响应可达毫秒级视觉皮层、视网膜、外侧膝状核频率编码忽略精确脉冲时间 → 无法解释快速响应时间编码的分辨率在毫秒级能传递更多信息(1) 延迟编码 / 时滞编码Latency Coding⭐核心原理刺激越强脉冲发放越早。编码公式titmax−ln(α⋅si1)t_i t_{max} - \ln(\alpha \cdot s_i 1)titmax−ln(α⋅si1)tit_iti神经元发放脉冲的时间tmaxt_{max}tmax时间窗口sis_isi刺激强度归一化后α\alphaα缩放参数TTFSTime-to-First-Spike编码是延迟编码的特例——每个神经元仅发放一次发放时间与刺激强度成反比。优点缺点脉冲发放次数少计算简单快速精度较低脉冲太少轻微扰动影响大适合图像等静态数据编码整体性能相对有限【图片延迟编码脉冲发放图 — 课件5 第35页】(2) 等级排序编码Rank-Order Coding按像素值相对大小划分强度等级每个等级对应固定脉冲发放时间不需要计算精确发放时间像素值→神经元发放的相对次序(3) 相位编码Phase Coding编码单元Pos神经元 Neg神经元 输出神经元(Eout)利用**阈下膜电位振荡SMO**的相位白色像素→Pos激活→振荡上移→波峰超阈值→发放黑色像素→Neg激活→振荡下移→波谷低于阈值→发放相邻编码单元间存在固定相位差Δφ(4) 群体编码 / 簇编码Population/Burst Coding用一组脉冲而非单个脉冲表达信息信息包含在脉冲发放时间 脉冲数量 脉冲间隔ISI兼顾频率编码和时间编码的优势ISIInterspike Interval像素值越大→ISI越小→脉冲越密集脉冲簇中脉冲数量一般不超过5个(5) 各时间编码方法对比编码方法核心机制脉冲数精度延迟编码/TTFS刺激越强发放越早极少(1次)较低等级排序编码划分等级按序发放较少中等相位编码SMO相位对齐中等较高群体/簇编码多脉冲联合表达较多高5.5 视网膜信息压缩编码→对齐→压缩人类视网膜10⁸感光细胞→10⁶神经节细胞100倍压缩三步过程编码按时滞编码将刺激强度→精确脉冲延迟强→早弱→晚对齐将每个脉冲对齐到SMO曲线上最近的波峰→建立脉冲与感光神经元的对应关系压缩将感受野内所有感光神经元的脉冲映射到统一脉冲序列强度信息通过脉冲发放时间编码 | 空间信息通过相位保留5.6 网络直接编码 感知设备直接编码网络直接编码传统编码方式显式编码映射固定无法自学习直接将原始信号输入SNN→通过多层脉冲神经元隐式编码编码方式可被学习/优化感知设备直接编码动态视觉传感器DVS、动态听觉传感器等直接将外界信息捕捉为脉冲形式输出无需额外的软件编码步骤思考题课件Q1你能设计一种编码方法使得脉冲时序与刺激强度呈非线性关系吗Q2给定一幅图像你能写出几种将图像编码为脉冲序列的方法并写出主要步骤。笔记中的图片索引序号图片内容描述来源位置图1听觉系统稀疏编码示意图课件5 第4-5页图2神经节细胞感受野中心-环绕结构课件5 第6-7页图3P型/M型神经节细胞与颜色感受野课件5 第8页图4味觉细胞对不同味觉的响应课件5 第9页图5嗅觉受体细胞编码机制课件5 第10-11页图6频率编码vs时间编码对比图课件5 第14-16页图7均匀编码脉冲发放图课件5 第29页图8泊松编码脉冲发放图课件5 第32页图9延迟编码脉冲发放图课件5 第35页图10等级排序编码示意图课件5 第37-38页图11相位编码机制图课件5 第39-41页图12群体编码/簇编码示意图课件5 第42页图13各编码方式对比表课件5 第50页图14视网膜信息压缩三步过程课件5 第54-58页笔记整理时间2026年6月25日
