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神经元模型对比分析

物理学报 2016年第24期65卷 1-12页

作者：徐泠风李传东陈玲西南大学电子信息工程学院重庆400715 中国科学技术大学信息科学技术学院合肥230027

近年来,生物神经元模型的建立与应用已经获得了越来越多的关注,逐渐成为神经科学的一个重要分支.神经元模型不仅在仿生学、存储器设计、逻辑运算、信号处理等方面有重大应用,对分析研究神经系统的动力学特性也具有重要意义.本文总结了自... 详细信息

近年来,生物神经元模型的建立与应用已经获得了越来越多的关注,逐渐成为神经科学的一个重要分支.神经元模型不仅在仿生学、存储器设计、逻辑运算、信号处理等方面有重大应用,对分析研究神经系统的动力学特性也具有重要意义.本文总结了自1907年第一个神经元模型建立以来的发展历程,归纳出17种最具代表性的数学模型,分为电导依赖模型和非电导依赖模型进行比较分析,重点展示包括最新神经芯片TrueNorth上的神经元在内的5种经典模型,分析其仿真特性,以及电路实现的需求,方便研究者根据具体需求选择和改进神经元模型.

关键词：神经元模型电导依赖模型非电导依赖模型 TrueNorth

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神经元模型的稳定性分析与Hopf分岔控制

振动工程学报 2015年第1期28卷 52-58页

作者：袁春华王江天津大学电气与自动化工程学院天津300072

根据Poincare Birkhoff(PB)规范形理论,研究了神经元模型的Hopf分岔类型的判定与分岔控制问题。分析了离子电流与电导对神经元平衡点变化与分岔点分布的影响,计算了神经元最小模型亚临界Hopf分岔的稳定性指标,并在此基础上建立了神经元... 详细信息

根据Poincare Birkhoff(PB)规范形理论,研究了神经元模型的Hopf分岔类型的判定与分岔控制问题。分析了离子电流与电导对神经元平衡点变化与分岔点分布的影响,计算了神经元最小模型亚临界Hopf分岔的稳定性指标,并在此基础上建立了神经元最小模型的分岔控制方程,利用Washout控制器实现了对该神经元模型亚临界Hopf分岔的控制。研究表明:在给定的参数范围内,该神经元模型发生了2次亚临界Hopf分岔。提出的解析与数值相结合的Hopf分岔稳定性判定方法可以确定最小神经元模型的Hopf分岔的稳定性,基于稳定性判定指标和Washout控制器的分岔控制方法可以实现对神经元增幅放电的有效控制。

关键词：非线性系统神经元模型 Hopf分岔稳定性判定指标 Washout分岔控制

脑仿真环境中神经元模型参数化生成系统的设计与实现

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脑仿真环境中神经元模型参数化生成系统的设计与实现

作者：陈承北京邮电大学

学位级别：硕士

近年来,研究人员通过生物脑仿真来研究生物神经系统的运作机制和工作原理,为此提出了许多不同的脉冲神经元模型和脉冲神经网络结构,并搭建了脑仿真平台用于运行脉冲神经网络。在脑仿真环境中运行不同生物脑仿真任务需要构建不同的脉冲... 详细信息

近年来,研究人员通过生物脑仿真来研究生物神经系统的运作机制和工作原理,为此提出了许多不同的脉冲神经元模型和脉冲神经网络结构,并搭建了脑仿真平台用于运行脉冲神经网络。在脑仿真环境中运行不同生物脑仿真任务需要构建不同的脉冲神经网络,这些神经网络通常也会采用不同神经元模型。针对脑仿真任务需求,提供不同神经元模型并减少神经元模型计算过程中产生的消耗是一个有价值的问题。本文主要研究“神经元模型参数化生成系统”的设计与实现。本文的主要工作如下:1)针对脑仿真平台中脉冲神经网络的神经元并行计算问题,基于脑仿真平台提供的类脑芯片原语,研究了神经元计算向量化方案。在此方案中,本文设计了向量化除法运算实现方案、向量化条件判断语句实现方案、支持向量化计算的神经元模型数据的静态内存分配方案。2)为了生成面向某脑仿真平台可定制化的神经元模型汇编语言程序文件,本文在系统中设计并实现了神经元模型生成模块。神经元模型生成模块中,基于仿真平台中的芯片原语库函数,编码实现了的支持神经元并行计算的脉冲神经元模型高级语言程序,芯片原语库函数在执行过程中能够生成与此函数对应的芯片汇编指令代码;神经元模型生成模块接收用户设置的神经元个数、神经元模型粒子电导等神经元参数值、神经元模型膜电位等状态变量初始值等参数设置后,执行模块中的脉冲神经元模型高级语言程序,得到可在某脑仿真平台上运行的参数化的神经元模型汇编语言程序文件。3)为了支持用户研究具有不同时序动力学模型的脉冲神经元,本文在系统中设计并实现了自定义神经元模型生成模块。该模块接受用户采用NESTML语言的四则运算操作、基础的条件判断语句定义的脉冲神经元模型。当用户所定义的脉冲神经元模型为可采用欧拉法求解其时序动力学模型时,本模块可生成能够在PyTorch库环境下运行的神经元模型Python代码文件。自定义神经元模型生成模块首先利用NESTML的文法处理工具解析用户输入的自定义神经元模型文本,得到自定义神经元模型的抽象语法树,其次提取该抽象语法树中的表达式与变量等关键信息,最后用一组指定的Jinja2模板文件生成神经元模型Python代码文件。本文讨论了神经元模型参数化生成系统的需求分析、设计与实现,最后完成了系统的测试分析,并总结了论文工作。

关键词：脑仿真神经元模型向量化 NESTML语言

电磁感应下神经元模型的动力学分析及其同步控制

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电磁感应下神经元模型的动力学分析及其同步控制

作者：祁慧敏兰州交通大学

学位级别：硕士

神经元作为神经元系统的基本元素,不仅会向外界传递信号,同时还能感知电流或磁场的刺激信号并产生一定的影响.首先,本文在经典的神经元模型中引入外界因素,构建出一个新的神经元系统.其次,文中利用MATLAB和MATCONT数学软件仿真这些神经... 详细信息

神经元作为神经元系统的基本元素,不仅会向外界传递信号,同时还能感知电流或磁场的刺激信号并产生一定的影响.首先,本文在经典的神经元模型中引入外界因素,构建出一个新的神经元系统.其次,文中利用MATLAB和MATCONT数学软件仿真这些神经元在外界因素作用下呈现的动力学行为.最后基于神经元系统呈现出的复杂放电状态,本文通过对响应系统施加同步控制器的方式,使两个神经元系统逐渐趋于同步状态.主要研究内容如下:第一,Hindmarsh-Rose(HR)神经元模型在传递信号或接收信号的过程中都会产生电磁场.因此,在HR神经元模型中通过引入外界电磁场的方式构建一个新的神经元系统,并利用MATLAB软件仿真它的单参数分岔图.观察仿真图发现,该神经元模型在外界刺激电流的激励下呈现出清晰的“梳状”结构.基于此,为了进一步证实系统参数值选取的正确性,文中再次利用数学软件仿真该系统的时间响应图和相轨迹.结合仿真图,发现HR神经元系统在电场作用下确实具有丰富的分岔行为.而在医学上这种因神经元分岔无规律导致的疾病越来越多,如癫痫等疾病.因此,文中对放电状态较混乱的神经元系统施加控制器,使两个放电无规律的神经元系统最终达到同步状态.第二,任何神经元在受到外界因素激励后,都会产生相应的反馈现象,如:由周期簇放电状态突然进入混沌放电状态;由混沌态缓慢转向周期1尖峰放电状态;由伴有混沌态的“梳状”结构转变为无混沌态的逆加周期分岔模式等等.利用非线性动力学知识与方法研究该神经元的膜电压在系统参数作用下的放电模式,依据它规律性的放电情况得出相应的结论.在分析磁通作用下m-Hindmarsh-Rose(m HR)神经元系统的过程中发现,引入磁通量的m HR神经元会受到系统内多种因素的影响,其中外界刺激电流和电磁感应强度的激励对系统的作用较大,相应也会呈现出复杂多样的放电模式.基于此,文章利用忆阻器耦合的方式将呈现出混沌态的m HR神经元系统同步到周期簇放电状态上,使两个神经元系统保持相同的放电模式.第三,文章首先在Hodgkin-Huxley(HH)神经元系统的基础上,构建出一类四维的新皮层神经元模型.其次,本文分别仿真该模型的单参数与双参数分岔图,观察系统内多种参数之间的关系变化图,发现该系统在多种参数影响下具有复杂的放电状态.最后,基于Lyapunov稳定性理论和适当的磁通耦合强度,使两个系统达到完全同步.较特殊的是,实验结果表明,磁通耦合强度不是越大越好,较强的耦合强度反而会破坏同步行为.

关键词：电磁感应神经元模型分岔分析耦合同步控制

微弱正弦信号在有噪声的FN神经元模型中的传输特性研究

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国防科技大学学报 2008年第2期30卷 78-82页

作者：梁晓冰刘希顺刘安芝王博亮国防科技大学电子科学与工程学院湖南长沙410073 厦门大学计算机科学系福建厦门361005

长期以来弄清神经系统中的信号是如何传输的一直是广大研究人员努力的目标。针对一种被普遍研究的神经元简化模型——FitzHugh-nagumo(FN)模型,采用二阶随机龙格-库塔算法分析了该模型对加性噪声和微弱正弦信号的响应特性。时域和频域... 详细信息

长期以来弄清神经系统中的信号是如何传输的一直是广大研究人员努力的目标。针对一种被普遍研究的神经元简化模型——FitzHugh-nagumo(FN)模型,采用二阶随机龙格-库塔算法分析了该模型对加性噪声和微弱正弦信号的响应特性。时域和频域的统计参数表明适当强度的噪声有利于信号的传输,存在随机共振现象,即与噪声强度关联的输出信噪比曲线为倒钟形;另外值得关注的是,与正弦信号频率关联的输出信噪比曲线也为倒钟形,分析可见正弦信号的无量纲频率在区间0.2~0.8时模型的输出信噪比最大,表明该神经元模型有频率敏感性,即更易于检测到该范围内的弱信号。上述结果与生物学的发现是一致的,将有助于进一步揭示周期信号在神经元中的传输方法,建立更加准确的神经元数学模型。

关键词： FitzHugh-nagumo模型神经元模型噪声随机共振频率敏感性

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具有时延的简单神经元模型的混沌行为

电子与信息学报 2002年第10期24卷 1341-1345页

作者：周尚波廖晓峰虞厥邦电子科技大学光电子技术系成都610054 重庆大学计算机学院重庆400044

该文研究了具有时延的简单神经元方程周期解的失稳和混沌现象,数值仿真表明:在一阶非线性时延动力学系统中找到了新的混沌发生源,文中给出了例子的波形图、相图及最大Lyapunov指数图。

关键词：时延神经元模型混沌行为周期解蔡氏电路三阶自活系统

多输出神经元模型的多层前向神经网络及其应用

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控制理论与应用 2004年第4期21卷 611-613页

作者：汪秉文沈艳军何统洲华中科技大学控制科学与工程系湖北武汉430074 陨阳师范高等专科学校计算机系湖北陨阳 442700

研究了一种新的多输出神经元模型.首先,给出这类模型的一般形式,并将该模型应用于多层前向神经网络;其次,给出了其学习算法,即递推最小二乘算法,最后通过几个模拟实验表明,采用多输出神经元模型的多层前向神经网络,具有结构简单,泛化能... 详细信息

研究了一种新的多输出神经元模型.首先,给出这类模型的一般形式,并将该模型应用于多层前向神经网络;其次,给出了其学习算法,即递推最小二乘算法,最后通过几个模拟实验表明,采用多输出神经元模型的多层前向神经网络,具有结构简单,泛化能力强,收敛速度快,收敛精度高等特点,其性能远远优于激活函数可调模型的多层前向神经网络.

关键词：神经网络神经元模型递推最小二乘算法多输出神经元模型

具有自适应反馈突触的神经元模型中的混沌:电路设计

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物理学报 2011年第5期60卷 71-78页

作者：陈军李春光定西师范高等专科学校物理与电子工程学系定西743000 浙江大学信息与电子工程学系杭州310027

近期文献中报道了在具有自适应反馈突触的神经元模型中,随着参数的变化,存在从两个共存吸引子到一个相连吸引子再到两个共存吸引子的混沌转化现象.本文对此模型进行了电路设计,同时对具有非单调激活函数功能的电路设计进行了细致的研究... 详细信息

近期文献中报道了在具有自适应反馈突触的神经元模型中,随着参数的变化,存在从两个共存吸引子到一个相连吸引子再到两个共存吸引子的混沌转化现象.本文对此模型进行了电路设计,同时对具有非单调激活函数功能的电路设计进行了细致的研究,并利用Electronic Workbench(EWB)软件对所设计的电路进行了仿真实验,研究了电路中的混沌现象,验证了所设计电路的动力学行为与通过数值模拟结果十分相似.

关键词：自适应反馈突触神经元模型混沌电路设计

基于有限元-神经元模型的大鼠硬膜外脊髓电刺激仿真研究

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中国生物医学工程学报 2015年第3期34卷 308-314页

作者：陈清阳徐琦王熠钊孟勇华中科技大学自动化学院图像信息处理与智能控制教育部重点实验室武汉430074 华中科技大学同济医学院附属同济医院康复科武汉430030

临床研究证实,硬膜外脊髓电刺激(ESCS)能促进脊髓损伤后的运动功能恢复,但基本神经机制则需通过动物实验进行研究。在建立大鼠ESCS有限元-神经元组合模型的基础上,仿真L2节段单阴极刺激条件下脊髓组织内的电势分布,确定L1到S2节段背根... 详细信息

临床研究证实,硬膜外脊髓电刺激(ESCS)能促进脊髓损伤后的运动功能恢复,但基本神经机制则需通过动物实验进行研究。在建立大鼠ESCS有限元-神经元组合模型的基础上,仿真L2节段单阴极刺激条件下脊髓组织内的电势分布,确定L1到S2节段背根、腹根纤维和不同深度背柱纤维激活阈值的变化规律,分析纤维位置和刺激脉宽对神经纤维激活阈值的影响。仿真结果发现,距电极最近的背根纤维激活阈值最低为0.41 V,浅层背柱纤维的激活阈值略高为0.47 V,最近腹根纤维的激活阈值最高为0.78 V,减小电极-纤维距离有利于脊髓纤维的选择性激活;不同深度背柱纤维的激活阈值随刺激脉宽增加而减小,但脉宽过大导致背柱纤维激活阈值的降幅变小,过长的脉宽使得激活阈值的降幅趋缓,合理选择刺激脉宽有利于激活深层背柱纤维,增加脊髓组织的激活区域,提高ESCS对于深层背柱纤维的募集能力。该仿真结果可为动物实验研究中合理选择刺激参数、提高刺激选择性能提供理论指导。

关键词：有限元模型神经元模型硬膜外脊髓电刺激大鼠脊髓纤维