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基于现场可编程门阵列的hodgkin-huxley模型神经元动作电位的数值模拟功能实现

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生物医学工程学杂志 2015年第6期32卷 1302-1309页

作者：王金龙逯迈胡延文陈小强潘强强兰州交通大学自动化与电气工程学院兰州730070 兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室兰州730070

神经元是构成生物体神经系统的基本单位。在神经元的电生理特性描述上,hodgkin-huxley(HH)模型最接近于生物学实际。硬件实现神经元可为临床脊髓损伤治疗、仿生学、人工智能等方面提供新的研究思路。本文以HH模型神经元为研究对象,采用D... 详细信息

神经元是构成生物体神经系统的基本单位。在神经元的电生理特性描述上,hodgkin-huxley(HH)模型最接近于生物学实际。硬件实现神经元可为临床脊髓损伤治疗、仿生学、人工智能等方面提供新的研究思路。本文以HH模型神经元为研究对象,采用DSP Builder技术,在现场可编程门阵列(FPGA)上完成了单个HH模型神经元的硬件实现。对FPGA实现的神经元施加了不同类型的电流刺激,分析研究其动作电位响应特性,并与相同参数刺激下的数值模拟结果进行了相关系数的计算分析。结果表明,FPGA实现的神经元动作电位响应与数值模拟结果高度一致,为后续通过硬件构建神经元网络奠定了基础。

关键词： hodgkin-huxley模型神经元现场可编程门阵列动作电位

噪声刺激下hodgkin-huxley模型的共振分析

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噪声刺激下Hodgkin-Huxley模型的共振分析

作者：管文烨天津大学

学位级别：硕士

神经系统是由大量神经元组成的复杂网络,神经元之间通过间隙、突触等连接组成神经网络,神经元是神经系统的基本单元。神经网络之间的信息传递是以神经元动作电位的发放和传递为基础的,耦合神经元之间的动作电位序列组合携带了大量的信... 详细信息

神经系统是由大量神经元组成的复杂网络,神经元之间通过间隙、突触等连接组成神经网络,神经元是神经系统的基本单元。神经网络之间的信息传递是以神经元动作电位的发放和传递为基础的,耦合神经元之间的动作电位序列组合携带了大量的信息。噪声对单个神经元中的信息整合作用和信息在神经元集群中的传递有着重大的影响,所以研究噪声对神经元的作用,对于我们理解神经元的信息编码机制和传递机制有着很重要的意义。本文对hodgkin-huxley模型进行分岔分析,得到系统的分岔点;在其鞍结分岔点附近施加不同幅值和频率的正弦刺激进行分析,得到对系统敏感的频率,并分析了系统在输入信号的不同参数区域内的不同的放电形式。本文对hodgkin-huxley模型分别施加高斯白噪声和Ornstein-Uhlenbeck噪声进行相干共振分析,并通过回归分析,本文首次指出了它们对于神经元相干共振现象的不同之处。本文讨论了单个hodgkin-huxley模型的随机共振和振动共振,得到在神经系统中噪声和高频信号可以互相替代。本文还得到兴奋性化学耦合和离散Laplacian算子连接的电耦合神经元阵列发生随机共振时所需的耦和强度和噪声强度。通过本文的研究分析,得到了噪声对神经系统的影响规律。为研究神经系统信息的传导与作用规律提供了思路。

关键词： hodgkin-huxley模型噪声相干共振随机共振振动共振

hodgkin-huxley模型的分岔与混沌分析

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Hodgkin-Huxley模型的分岔与混沌分析

作者：车艳秋天津大学

学位级别：硕士

电磁场对人类机体产生的电磁效应近来受到很大关注,一方面,关于电磁致病的报道越来越多;另一方面,医学临床表明特定的电磁效应对某些疾病有一定的疗效。神经系统是人体生理机能的重要调节系统,是通过神经元感受外界刺激,并以神经放电的... 详细信息

电磁场对人类机体产生的电磁效应近来受到很大关注,一方面,关于电磁致病的报道越来越多;另一方面,医学临床表明特定的电磁效应对某些疾病有一定的疗效。神经系统是人体生理机能的重要调节系统,是通过神经元感受外界刺激,并以神经放电的方式对外界刺激信息进行编码、传递和解码。不同的放电模式反映了不同的外界刺激,相应的产生不同的生理效应。因此,深入研究外电磁场与神经放电方式之间的量化关系,对更有效的预防电磁类疾病,更好的利用电磁效应治疗疾病有重要的理论和实际意义。神经电生理活动具有复杂的非线性动力学行为,本文以hodgkin-huxley（HH）模型为研究对象,利用分岔、混沌等非线性动力学理论和方法,考察低频外电场作用下随电刺激参数变化HH模型动态特性。本文利用高维系统Hopf分岔的代数判据计算了以直流电流强度和直流电场强度为分岔参数的单参数和双参数分岔点（集）,得到了系统存在稳定周期解的参数范围。通过仿真给出了直流电刺激下神经纤维不同的放电模式所对应的参数区间。利用混沌分析理论,得到了系统在周期性电流和周期性电场刺激下神经纤维放电模式的变化规律,重点考察了放电模式的频率特异性;并发现了神经纤维放电模式中包含周期性、拟周期性、混沌在内的复杂的非线性动力学行为;根据上述研究给出了特定刺激强度下不同放电模式存在的频率范围,对电磁环保标准的制定、电磁场的临床医学应用有一定的指导意义。

关键词： hodgkin-huxley模型分岔混沌神经纤维外电场

hodgkin-huxley模型的分岔分析与控制

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Hodgkin-Huxley模型的分岔分析与控制

作者：陈良泉天津大学

学位级别：硕士

hodgkin-huxley模型准确描述了神经元细胞膜上电压与电流的变化过程,HH模型发生动态Hopf分岔的仿真结果表明细胞膜受刺激后产生连续动作电位的异变波形同医学实验中观察到的病变现象十分相似,说明生理参数变化引发生物系统分岔可能是肌... 详细信息

hodgkin-huxley模型准确描述了神经元细胞膜上电压与电流的变化过程,HH模型发生动态Hopf分岔的仿真结果表明细胞膜受刺激后产生连续动作电位的异变波形同医学实验中观察到的病变现象十分相似,说明生理参数变化引发生物系统分岔可能是肌肉疾病的诱因。因此,分岔的分析与控制研究就显得尤其重要。动力系统的分岔是指随着某些参数的变化,系统的动力性态发生质的改变,特别是系统的平衡状态发生稳定性改变或出现方程解的轨道分枝。非线性动力系统中分岔控制是采用控制手段达到改变系统的分岔性质,从而获得某种期望的系统动态或静态特性。本文继续本课题组前期的工作,首先基于肌肉中的HH模型为研究对象,采用高维方程的代数判据进行漏电导变化时的单参数Hopf分岔分析,并进行仿真研究。在此基础上,选择非线性反馈控制方法,达到原分岔点的稳定,将新的分岔点移到一个生理上不可能出现的位置,实现绝对分岔控制。同时,以低频外电场作用下改进的HH模型为研究对象,理论分析、数值计算和仿真相结合,分析其分岔的现象;然后采用Washout过滤器方法来控制分岔现象的发生,达到了平衡点分岔的稳定。由于控制变量为可测量的膜电压等,所提方法完全具有了现实意义。计算机仿真结果证明了这些方法及理论分析的正确性,从而为临床治疗疾病提供了新的方法和思路。

关键词： hodgkin-huxley模型分岔分岔控制 Washout过滤器非线性控制

外注电流下hodgkin-huxley心脏浦肯野纤维模型的动力学特征演变研究

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外注电流下Hodgkin-Huxley心脏浦肯野纤维模型的动力学特征演变研...

作者：王萍江西理工大学

学位级别：硕士

通过考虑钠离子、钾离子和阴离子对膜电流的作用,hodgkin-huxley心脏浦肯野纤维模型的数值结果与观察到的真实浦肯野纤维的行为非常吻合,能很好地描述真实浦肯野纤维的膜动作电位,为人们研究心脏浦肯野纤维相关的非线性动力学提供了思... 详细信息

通过考虑钠离子、钾离子和阴离子对膜电流的作用,hodgkin-huxley心脏浦肯野纤维模型的数值结果与观察到的真实浦肯野纤维的行为非常吻合,能很好地描述真实浦肯野纤维的膜动作电位,为人们研究心脏浦肯野纤维相关的非线性动力学提供了思路。本文的主要工作包括:(1)基于hodgkin-huxley心脏浦肯野纤维模型,使用正弦交流IAC=Asin(2πft)代替恒定直流作为外加电流,构建了交流刺激下的hodgkin-huxley心脏浦肯野纤维模型。通过稳定性分析、分岔分析和计算Lyapunov指数,利用平衡点曲线、相平面轨迹、波形、分岔图和Lyapunov指数谱等共同展示了在不同交流参数和不同初始条件下的动力学特性,揭示了多种共存的膜电位模式。(2)通过修改hodgkin-huxley浦肯野纤维模型的离子平衡电位,模拟了不同异常心跳频率的浦肯野纤维,模型在不同的离子平衡电位下展示出了多种心跳频率异常的情况。为研究外加电流对浦肯野纤维心跳频率的影响,分别使用恒定直流和正弦交流对正常与异常状态的浦肯野纤维模型进行刺激。通过对比交流和直流刺激下心跳频率的变化规律,发现交流刺激可以使得正常或异常心跳的浦肯野纤维保持或回到60-100次/分钟的正常心跳范围,然而直流只能使部分心动过缓的浦肯野纤维回到正常状态,且易使得正常或其他危险状态的浦肯野纤维变得更危险。因此,在调整心脏浦肯野纤维心跳频率的过程中,交流与直流相比具有极大的优势。(3)通过修改离子平衡电位和阴离子电导,并在hodgkin-huxley心脏浦肯野纤维模型中引入正弦交流这一非线性项,提出了平衡电位偏移下的混沌系统。该系统的主要特点是可以产生混沌吸引子并具有丰富的共存现象。当交流振幅或频率变化时,通过使用非线性数值分析方法,如:单参数分岔、Lyapunov指数谱、0-1测试和相图等,发现了多种非对称共存、准周期性、瞬态混沌、阵发混沌和状态转移等其他动力学行为。此外,还在PSIM中进行了电路仿真设计,有效地证实了数值计算的结果。本文拓展了电刺激心脏浦肯野纤维的相关研究,为电刺激疗法和临床治疗心率失常提供了一定的理论基础。

关键词： hodgkin-huxley模型心脏浦肯野纤维共存吸引子双稳定性交流电流

基于hodgkin-huxley模型的神经元供能-耗能特征的计算

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基于Hodgkin-Huxley模型的神经元供能-耗能特征的计算

心脏hodgkin-huxley浦肯野纤维模型的忆阻特性及边缘混沌研究

第三届全国神经动力学学术会议

作者：王毅泓王如彬华东理工大学理学院认知神经动力学研究所

神经元的电活动是神经编码问题的基础。传统的编码理论从动作电位、发放率等角度出发来描述神经元的电活动,这类研究如今都遇到了各自的瓶颈。而能量编码的方法从神经元活动的能量特征出发来研究神经编码问题,体现出了全局性和经济性等... 详细信息

神经元的电活动是神经编码问题的基础。传统的编码理论从动作电位、发放率等角度出发来描述神经元的电活动,这类研究如今都遇到了各自的瓶颈。而能量编码的方法从神经元活动的能量特征出发来研究神经编码问题,体现出了全局性和经济性等优势。本研究以hodgkin-huxley模型为基础,采用离子计数法和功率积分法分别计算了神经元在发放和阈下活动时的能量消耗,并且比较了这两种状态下各个离子通道的能量消耗特征,发现了在两种不同的状态下,离子通道的功率同步性以及能量利用率都有明显的差异,尤其是能量利用率,在阈下活动时逼近甚至超过100%,呈现出了一种提前透支能量的特征。这些都说明发放状态和阈下活动在能量层面具有本质区别,而能量消耗可以很好地刻画神经元的活动状态,这说明了能量编码方法的有效性及合理性。同时,在引入合理的突触能耗模型后,本研究可以很好地扩充到神经网络的群体能耗计算,在网络动态活动的能量消耗和认知行为的编码之间建立一个桥梁。

关键词： hodgkin-huxley模型发放活动阈下活动能量

来源： cnki会议评论

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心脏Hodgkin-Huxley浦肯野纤维模型的忆阻特性及边缘混沌研究

作者：吴政泽江西理工大学

学位级别：硕士

随着科学技术的飞速进步,人们期待通过对大脑这个复杂网络来探索生命智能活动规律,同时对人工智能和计算机科学的发展提供新的思路。hodgkin-huxley模型是通过测量乌贼触突电生理活动而得出的数学模型,在众多神经网络模型中成为一个经... 详细信息

随着科学技术的飞速进步,人们期待通过对大脑这个复杂网络来探索生命智能活动规律,同时对人工智能和计算机科学的发展提供新的思路。hodgkin-huxley模型是通过测量乌贼触突电生理活动而得出的数学模型,在众多神经网络模型中成为一个经典标志性的量化模型。忆阻器一直被认为是一种“被遗忘”的重要元件,它具有体积小、存储量大、能耗低、有记忆和类似神经元突触等特点,在人工神经网络中还具有自主学习和权值可塑性质。混沌作为非线性学中的一个重要概念,被称为二十世纪三大科学发现之一,它从科学的角度解释了有序和随机之间的过度区域,而边缘混沌又是复杂神经系统自发调整和短暂存在的非线性动力学形态的表现。本文主要研究的内容包括:(1)以心脏hodgkin-huxley浦肯野(Purkinje)纤维细胞模型为研究对象,发现钾离子通道和钠离子通道具有不同强度的忆阻特性,并规划出一阶钾离子忆阻器和二阶钠离子忆阻器的电路结构,在此基础上分别设计了基于平衡点的钾离子和钠离子微扰等效忆阻电路。(2)依据边缘混沌的数学定义,将心脏浦肯野纤维模型的活动状态分成三个主要区域:局部活动、局部被动和边缘混沌,研究不同黄金分割参数(a,b)下三个区域波形变化与心跳节律,以此推断出心脏处于正常、危险、紊乱、停止等状态。划分出正常心跳的安全区域范围,并通过定常数、同频率波形等外力作用来迁移、扩展或缩小边缘混沌区域。(3)结合细胞神经网络关联的特点,分析细胞之间相互作用引起的心脏浦肯野纤维模型波形变化规律,针对离散Laplace反应-扩散系数D值的索引和收缩,获得整体神经网络系统有序、稳定或混乱的走向趋势,从而有效地控制和引导神经系统的正常活动方式。本研究扩展了神经网络在非线性动力学领域应用,为探索人类神经系统复杂的活动规律,特别是为人体心脏这个重要器官的健康活动提供一定的理论基础。

关键词：忆阻器 hodgkin-huxley模型心脏浦肯野纤维边缘混沌

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电磁防护仿生中的神经动作电位发放特性

中国医学物理学杂志 2022年第2期39卷 241-251页

作者：张明亮张桂朋王天怡杨新梦姚保成闫杨阳陆军工程大学石家庄校区电磁环境效应重点实验室河北石家庄050003 石家庄铁道大学机械工程学院河北石家庄050043 兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室甘肃兰州730070

为神经元的仿生原型电路设计提供理论支撑以及突破传统防护方法的束缚,本研究利用典型的hodgkin-huxley模型对神经元进行数学建模和仿真。研究方波信号刺激下神经元动作电位的时域响应特性,并分析方波信号的幅值、周期、占空比、刺激时... 详细信息

为神经元的仿生原型电路设计提供理论支撑以及突破传统防护方法的束缚,本研究利用典型的hodgkin-huxley模型对神经元进行数学建模和仿真。研究方波信号刺激下神经元动作电位的时域响应特性,并分析方波信号的幅值、周期、占空比、刺激时长对动作电位的影响。仿真结果表明,神经元取生理参数(导电、电容、反电动势等)、周期为10 ms,占空比为20%时,方波信号幅值的第一敏感参数为4μA/cm^(2),第二敏感参数为21μA/cm^(2);周期与占空比的阈值分别为8 ms和6%。研究还发现信号刺激时长同样是决定动作电位发放的重要因素。

关键词：电磁防护仿生神经元 hodgkin-huxley模型方波信号动作电位

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电磁干扰下单铁悬浮系统动力学特性研究

电磁干扰下单铁悬浮系统动力学特性研究

作者：王天怡石家庄铁道大学

学位级别：硕士

随着科技的进步和人民生活水平的提高,磁悬浮列车成为了人们出行的方式之一。悬浮斩波器则作为EMS磁悬浮列车的执行机构,通过改变电磁铁的电流,进而调节电磁铁对轨道的吸引力,使磁悬浮列车稳定地悬浮在导轨之上,避免了摩擦从而提高了运... 详细信息

随着科技的进步和人民生活水平的提高,磁悬浮列车成为了人们出行的方式之一。悬浮斩波器则作为EMS磁悬浮列车的执行机构,通过改变电磁铁的电流,进而调节电磁铁对轨道的吸引力,使磁悬浮列车稳定地悬浮在导轨之上,避免了摩擦从而提高了运行速度。但由于集成电路的发展和电磁环境的复杂化,电子元器件在工作时通常受到来自外界的电磁干扰,为解决这个问题,本文基于hodgkin-huxley模型的抗干扰特性,提出了神经元方波发生器控制下的EMS磁悬浮列车单铁悬浮系统,通过hodgkin-huxley模型的抗干扰能力来提高EMS磁悬浮列车在外部电磁干扰下运行的稳定性,具体研究内容如下:通过CST软件建立微带天线的模型,研究天线发射端激励和接收端电流的关系,通过田口方法探寻最优的电性能参数组合。通过傅里叶变换对微带天线接收端电流进行处理,将不同频率的幅值叠加得到重构的电流信号。利用Matlab搭建hodgkin-huxley神经元数学模型分析神经元在内部刺激电流下的动作电位响应,将天线接收端电流作为基于hodgkin-huxley模型的外部干扰源,搭建加入外部电磁干扰刺激后动作电位发放特性分析的数学模型,基于相关系数分析动作电位的发放特性,探寻hodgkin-huxley模型的抗扰特性和范围。利用Simulink工具箱搭建四象限硬开关斩波器模型,分别采用不同的控制方法将其与单电磁铁动力学模型相结合,分析其悬浮间隙、悬浮速度和悬浮加速度的变化规律。将hodgkin-huxley模型作为方波发生器,分析在外部干扰情况下单铁悬浮系统的动态响应,为基于神经抗扰机制的电磁悬浮设计提供依据。

关键词： EMS磁悬浮列车微带天线田口方法 hodgkin-huxley模型四象限硬开关斩波器