[发明专利]一种基于鼠脑海马结构认知地图的仿生导航方法

说明书

本发明一种基于鼠脑海马结构认知地图的仿生导航方法，属于仿生学技术领域。首先基于条纹细胞构建网格细胞网格野模型、其次基于网格细胞构建单一位置细胞位置野模型，最后构建大鼠脑内“认知地图”。在所构建认知地图的基础上，构建一个包含有输入层、位置细胞层、动作细胞层和输出层的前馈神经网络模型，并且采用Q学习算法来实现大鼠面向空间环境某一目标导航任务。本发明方法可广泛应用到仿生机器人导航、人工智能等诸多领域。

技术领域

本发明涉及一种基于鼠脑海马结构认知地图的仿生导航方法，属于仿生学技术领域。

背景技术

自主定位和面向所处空间环境某一目标导航能力对于动物和自主移动机器人至关重要。尽管机器人能通过特定的传感器或环境中的一些先验信息来确定其当前所处空间位置信息，但是在没有任何先验知识的情况下，动物和人类通过来自于感官的不完整空间信息总可以迅速地定位自己当前所处位置信息。随着大鼠脑中与环境认知相关条纹细胞、网格细胞、位置细胞的陆续发现，对深入理解动物和人类迅速在所处空间环境中的自我定位过程提供了可能性。

1948年Tolman所做的的三通路导航实验说明大鼠能通过内在的“认知地图”进行导航，该认知地图即为大鼠脑内对其所处空间环境的全局表达。“认知地图”在大鼠空间导航中扮演着至关重要的作用。因此，“认知地图”如何形成、基于“认知地图”如何进行空间导航仍是一个重要的实验和理论问题。

1971年，O'keefe和Dostrovesky在大鼠海马结构海马区首次发现具有空间定位活动的位置细胞神经元。大鼠在二维空间活动时，当其经过环境中某一特定狭小区域时，对应位置细胞就会放电，单个位置细胞对应有单一位置细胞激活域，将此区域称之为位置细胞位置野。随着进一步的研究，位置细胞单一位置野被证实是“认知地图”的基本组成单位，单一位置细胞位置野与大鼠所处空间位置有着准确的对应关系，多个位置细胞联合编码大鼠所处环境，在大鼠脑内形成“认知地图”。2005年，Hafting等人于大鼠内嗅皮层中发现了另外一种 具有强烈空间放电特性的网格细胞神经元，该神经元会呈现出对空间中某一特定区域发生重复性规律放电的特性，此区域被称之为网格细胞网格野。与位置细胞不同的是，网格细胞能在多个位置放电，多个网格细胞网格野相互交叠成一个个网格节点，连接网格节点所形成的正三角形遍及大鼠所处的整个空间环境。海马结构信息通路表明内嗅皮层到海马区纤维投射表明了内嗅皮层是海马结构中海马区的主要输入来源，即网格细胞作为输入得到海马区单一位置细胞位置野。2012年Krupic等于在傍下托和内嗅皮层浅皮层的细胞放电采样显示，存在着周期性条纹细胞放电野细胞，被称为条纹细胞，条纹细胞主要是通过整合大鼠自运动信息(速度和方向信息)来得到条纹细胞放电特征，即条纹细胞条纹波。傅里叶分析表明，多个条纹细胞相互作用能形成周期性的网格细胞网格野。

单一位置细胞位置野是“认知地图”的基本构成单位，如何得到单一位置细胞位置野是一个重要的理论问题。自从1971年发现位置细胞以来，许多不同位置细胞位置野模型被相继提出，自位置细胞发现以来，许多不同的位置细胞位置野模型被相继提出，其中包括有高斯函数模型，竞争学习模型，独立成分分析模型，自组织映射模型和卡尔曼滤波模型等。但是以上模型存在的问题是它们都只是针对位置细胞单独进行建模，并没有将与之有信息关联的条纹细胞、网格细胞考虑在内。