Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Tối ưu hóa ngẫu nhiên cho một mô hình hệ thống spino-neuromuscular có tính khả thi sinh học
Tóm tắt
Các kỹ thuật mô phỏng và mô hình đang ngày càng trở nên quan trọng trong việc hiểu hành vi của các hệ thống sinh học. Những mô hình chi tiết giúp các nhà nghiên cứu trả lời các câu hỏi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như hành vi của vi khuẩn và virus, cũng như hỗ trợ trong chẩn đoán và điều trị chấn thương và bệnh tật. Tuy nhiên, để tạo ra hành vi sinh học có ý nghĩa, các mô phỏng sinh học thường bao gồm hàng trăm tham số tương ứng với các thành phần và đặc điểm sinh học. Bài báo này trình bày hiệu quả của các thuật toán di truyền (GA) và kỹ thuật tối ưu hóa bầy đàn (PSO) trong việc đào tạo hành vi có khả năng sinh học trong một mô phỏng thần kinh - cơ bắp của một cặp cơ nhị đầu/cơ tam đầu. Kết quả được so sánh với các đối tượng con người trong các chuyển động gập/mở để cho thấy rằng những thuật toán này có hiệu quả trong việc đào tạo những hành vi khả thi sinh học ở cả mức độ thần kinh và hình thể lớn. Những hành vi cụ thể đáng chú ý xuất hiện bao gồm sự căng cơ ở cả hai cơ trong các thời kỳ nghỉ ngơi, các mô hình phối hợp hoạt động giữa biceps/triceps, và những hành vi tương tự như tuyển dụng. Tất cả những đặc điểm này đều là những đặc tính cơ bản của kiểm soát vận động sinh học và xuất hiện mà không cần chọn lọc trực tiếp cho những hành vi này. Đây là lần đầu tiên tất cả những hành vi đặc trưng này được xuất hiện trong một mô hình chi tiết như vậy mà không có áp lực chọn lọc trực tiếp.
Từ khóa
#mô phỏng sinh học #thuật toán di truyền #tối ưu hóa bầy đàn #mô hình hệ thống spino-neuromuscular #kiểm soát vận động sinh họcTài liệu tham khảo
Abeles, M., Hayton, G., Lehmann, D.: Modeling compositionality by dynamic binding of synfire chains. J. Comput. Neurosci. 17, 179–201 (2004)
Baker, J.E., Thomas, D.D.: A thermodynamic muscle model and a chemical basis for av hill’s muscle equation. J. Muscle Res. Cell Motil. 21, 335–344 (2000)
Boothe, D., Cohen, A.: A model of limbed locomotion for a four muscle system. Neurocomputing 44–46, 743–752 (2002)
Bui, T., Cushing, S., Dewey, D., Eyffe, R., Rose, P.: Comparison of the morphological and electronic properties of renshaw cells, Ia inhibitory interneurons, and motoneurons in the cat. J. Neurophys. 90, 2900–2918 (2003)
Cartling, B.: Control of computational dynamics of coupled integrate-and-fire neurons. Biol. Cybernet. 78, 383–395 (1997)
Chou, C.-P., Hannaford, B.: Study of human forearm posture maintenance with a physiologically based robotic arm and spinal level neural controllar. Biol. Cybernet. 76, 285–298 (1997)
Eiben, A., Smith, J.: Introduction to Evolutionary Computing. Natural Computing. Springer (1998)
Enoka, R.: Eccentric contractions require unique activation strategies by the nervous system. Appl. Physiol. 81, 2339–2346 (1996)
Enoka, R.: Neuromechanical Basis of Human Movement, 3rd edn. Human Kinetics (2002)
Ettema, G.J., Meijer, K.: Muscle contraction history: modified hill versus an exponential decay model. Biol. Cybernet. 83, 491–500 (2000)
Giuglaiano, M., Bove, M., Grattarola, M.: Activity driven computational strategies of a dynamically regulated integrate-and-fire model neuron. J. Comput. Neurosci. 7, 247–254 (1999)
Gotshall, S., Canine, C., Jennings, C., Soule, T.: Evolutionary training of a biologically realistic spino-neuromuscular system. In: Proceedings of the 2005 International Joint Conference on Neural Networks, pp. 280–285. IEEE Computer Society Press (2005)
Gotshall, S., Soule, T.: Stochastic training of a biologically plausible spino-neuromuscular system model. In: Proceedings of the genetic and evolutionary computation conference, 2007
Henneman, E., Mendell, L.: In: Handbook of Physiology—Functional Organization of the Motoneuron Pool and its Inputs., vol. 1. American Physiological Society
Henneman, E., Somjen, G., Carpenter, D.: Excitability and inhibitibility of motoneurons. J. Neurophys. 28, 599–620 (1965)
Henneman, E., Somjen, G., Carpenter, D.: Functional significance of cell size in spinal motoneurons. J. Neurophys. 28, 560–580 (1965)
Hill, A.: The heat of shortening and the dynamic constants of muscle. Proc. Roy. Soc. Lond. B 126, 136–195 (1938)
Howell, J., Fuglevand, A., Walsh, M., Bigland-Ritchieb, B.: Motor unit activity during isometric and concentric-eccentric contractions of the human first dorsal interosseous muscle. J. Neurophys. 74, 901–904 (1995)
Ivashko, D., Prilutsky, B., Chapin, J., Rybak, I.: Modeling the spinal cord neural circuitry controlling cat hindlimb movement. Neurocomputing 52–54, 621–629 (2003)
Izawa, J., Kondo, T., Ito, K.: Biological arm motion through reinforcement learning. Biol. Cybernet. 91, 10–22 (2004)
Kandel, E.R., Schwartz, J.H., Jessell, T.M.: Principles of Neural Science, 4th edn. McGraw-Hill, New York (2000)
Kaneko, F., Onari, K., Kawaguchi, K., Tsukisaka, K., Roy, S.: Electromechanical delay after acl reconstruction: an innovative method for investigating central and peripheral contributions. J. Orthopedic Sports Phys. Therapy 32, 158–165 (2002)
Kennedy, J., Eberhart, R.: Swarm Intelligence. Morgan Kaufmann Publishers Inc., San Francisco (2001)
Kurz, M.J., Stergiou, N.: An artificial neural network that utilizes hip joint actuations to control bifurcations and chaos in a passive dynamic bipedal walking model. Biol. Cybernet. 93, 213–221 (2005)
Lungburg, A., Malmgren, K., Schomburg, E.: Reflex pathways from group ii muscle afferents 1 distribution and linkage of reflex actions to alpha-motoneurons. Exp. Brain Res. 65, 271–281 (1987)
McMachon, T.A.: Muscles, Reflexes, and Locomotion. Princeton University Press (1984)
Nakazawa, K., Kawakami, Y., Fukunaga, T., Yano, H., Miyashita, M.: Differences in activation patterns in elbow flexor muscles during isometric, concentric, and eccentric contractions. Eur. J. Appl. Physiol. Occupat. Physiol. 66, 214–220 (1993)
Nardone, A., Romano, C., Schieppati, M.: Selective recruitment of high-threshold human motor units during voluntary isotonic lengthening of active muscles. J. Physiol. (Lond.) 409, 451–471 (1989)
Nardone, A., Schieppati, M.: Shift of activity from slow to fast muscle during voluntary lengthening contractions of the triceps surae in humans. J. Neurophys. 595, 363–381 (1988)
Ogihara, N., Yamazaki, N.: Generation of human bipedal locomotion by a bio-mimetic neuro-musculo-skeletal model. Biol. Cybernet. 84, 1–11 (2001)
Paul, C., Bellotti, M., Jezernik, S., Curt, A.: Development of a human neuro-musculo-skeletal model of investigation of spinal cord injury. Biol. Cybernet. 93, 153–170 (2005)
Reider, B., Arcand, M., Diehl, L.: Proprioception of the knee before and after anterior cruciate ligament reconstruction. Arthroscopy 19, 2–12 (2003)
Saladin, K.: Human Anatomy. McGraw-Hill, New York (2005)
Schiappati, M., Valenza, F., Rezzonico, M.: Motor unit recruitment in human biceps and brachioradialis muscles during lengthening contractions. Eur. J. Neurosci. Suppl. 4, 303 (1991)
Schmidt, R.A., Lee, T.D.: Motor Control and Learning, 3rd edn. Human Kinetics (1999)
Settles, M., Soule, T.: Breeding swarms: a ga/pso hybrid. In: Beyer, H.G., O’Reilly, U.-M., et al. (eds.) Proceedings of the 2005 conference on Genetic and evolutionary computation, GECCO 2005, pp. 161–168, ACM Press (2005)
Shelley, M.J., Tao, L.: Efficient and accurate time-stepping schemes for integrate-and-fire neuronal networks. J. Comput. Neurosci. 11, 111–119 (2001)
Shepherd, G: Neurobiology, 3rd edn. Oxford University Press, New York (1994)
Torry, M., Decker, M., Ellis, H., Shelburn, H., Sterett, M., Steadman, J.: Mechanisms of compensating for anterior cruciate ligament deficiency during gait. Med. Sci. Sports Exer. 36, 1403–1412 (2004)
Walmsley, B., Hodgson, J., Burke, R.: Forces produced by medial gestrocnemius and soleus muscles during locomotion in freely moving cats. J. Neurophys. 41, 1203–1216 (1978)
Wennekers, T., Palm, G.: Controlling the speed of synfire chains. In: International Conference on Artificial Neural Networks (ICANN). Springer, Berlin, pp. 451–456 (1996)
Williams, G., Barrance, P., Snyder-Mackler, L., Buchanan, T.: Altered quadriceps control in people with anterior cruciate ligament deficiency. Med. Sci. Sports Exer. 36, 1089–1097 (2004)
Willoughby, D., Taylor, L.: Effects of concentric and eccentric muscle actions on serum myostatic and follistation-like related gene levels. J. Sports Med. 3, 226–233 (2004)
Yazdanbakhsh, A., Babadi, B., Rouhani, S., Arabzadeh, E., Abbassian, A.: New attractor states for synchronous activity in synfire chains with excitatory and inhibitory coupling. Biol. Cybernet. 86, 367–378 (2002)