[00121573]自突觸作用下HR神經元模型的電路實現及環形網絡

一、課題來源與背景 本項目屬甘肅省自然科學基金,項目編號:1506RJZA095。神經元在自突觸作用下可以誘發各類放電活動的遷移, 神經元動作電位對電自突觸的響應比較敏感. 通常用包含延遲因子和增益的反饋回路電流來刻畫自突觸對神經元動作電位的影響. 基于Pspice軟件, 設計了包含自突觸效應的神經元電路, 用以延遲反饋電路來模擬電自突觸對電位的調制作用. 研究結果發現: 1)在外界刺激和電自突觸回路協同作用下, 神經元電路輸出信號可以呈現靜息態, 尖峰放電, 簇放電狀態. 2)在時變增大的外界刺激下和自突觸回路驅動下, 神經元電路的輸出電位序列在多種電活動模式之間（靜息, 尖峰放電, 簇放電）交替出現, 其機理在于自突觸回路具有記憶特性, 神經元對于不同的外界刺激可以做出不同模式的響應. 3)在給定比較大外界刺激下, 改變反饋回路的增益, 發現電路輸出的序列也可以呈現不同模式交替,即神經元對于相同的刺激可以通過自我調節自突觸增益來產生不同模式的響應, 其機理可能在于回路的有效反饋, 這有助于理解突觸的可塑性。 二、技術原理及性能指標 利用數值仿真和電子電路技術,研究簡單/復雜網絡環境下神經元放電活動。 三、技術的創造性與先進性 探索利用噪聲、（化學/電突觸）耦合和網絡抑制/興奮神經元（同步）放電的規律。 四、技術的成熟程度,適用范圍和安全性 探索了神經元的電自突觸結構對神經元膜電位放電活動的調節作用,以及噪聲環境下神經元網絡的同步放電活動。研究發現電自突觸對神經元膜電位放電模式具有調節作用,而噪聲能夠促進神經元膜電位的同步放電。這能夠為神經醫學領域治療癲癇等疾病方面提供理論支持。 探索了電磁輻射環境下神經元膜電位的放電活動,為此在神經元模型中引入憶阻器,發現神經元膜電位放電由于憶阻器作用區域低頻;而且憶阻器有益于神經元膜電位的同步放電。因此,可以利用具有憶阻器效應的神經元模型設計電磁場探測器。 利用單片機設計的高斯白噪聲發生器可以做為價格低廉,性能可靠的噪聲發生器用于電子設備的測試。 五、應用情況及存在的問題 實驗證明,采用價格低廉的運算放大器設計能夠模擬HR神經元膜電位放電活動的電路是可行的,基于運算放大器的HR神經元模型之電路可以模擬神經元膜電位的放電活動,如Spiking放電和Bursting放電。引入神經元的自突觸結構,發現電自突觸對于神經元的放電活動具有調控作用;由于隨機共振,噪聲有利于神經元膜電位放電的同步行為;電磁輻射對神經元膜電位放電活動的影響表明場耦合可能是控制神經元膜電位放電的方式之一。 基于法拉第電磁感應定律,在HR神經元模型內引入磁通量刻畫神經元細胞膜內外離子濃度分布變化引起的電磁場效應;并利用磁控憶阻器表征該磁通引起的感應電流。實驗發現,相對于原始的HR模型,考慮電磁感應效應后,神經元放電頻率更傾向于低頻;在負反饋耦合的兩只HR神經元模型電路之間,基于憶阻器的電磁感應效應有益于神經元的同步放電。 采用單片機設計了高斯白噪聲發生器作用于HR神經元模型電路,實驗發現由于隨機共振噪聲可能觸發神經元放電,但是實驗中也發現噪聲可能抑制神經元的放電;在單向耦合的環形神經元網絡中,實驗發現噪聲能夠減小網絡同步的臨界耦合強度,即噪聲有助于單向耦合網絡的同步放電;實驗發現雙向耦合情況的同步臨界耦合強度會進一步減小;而且由于耦合作用,網絡能夠觸發神經元的放電。 課題編號1506RJZA095支持的神經元膜電位的放電動力學及其網絡的動力學行為的分析建立在簡化的HR模型基礎上,缺乏較真實的物理模型分析;其中神經元膜電位放電動力學模型中具備物理含義的是HH模型,該模型為電容充放電模型;該模型及其網絡在自突觸以及噪聲等環境下的行為的精細刻畫有待進一步的討論。另外課題編號1506RJZA095支持的工作主要是基于數值分析的結果,缺乏解析解的分析,如網絡的同步分析等。 六、歷年獲獎情況 “中國物理學會2018年度最有影響論文”1篇。 任國棟,武鋼,馬軍*,陳旸,一種自突觸作用下神經元電路的設計和模擬,物理學報（2015）64:058702 七、成果簡介要向社會公開,請不要填寫商業秘密內容 該成果簡介不涉及任何商業秘密內容。 對 Hindmarsh-Rose（HR） 神經元模型表征的膜電位放電活動利用運算放大器進行了建模和計算;對神經元的電自突觸利用運算放大器進行了建模;利用運算放大器模擬憶阻器,研究了電磁輻射對 HR 神經元膜電位放電活動以及神經元網絡同步行為的影響;利用單片機設計了高斯白噪聲發生器作用于環形神經元網絡,研究環形網絡中的網絡同步放電行為以及規則神經元網絡中螺旋波的運動。 課題組成員在項目資助期間先后在SCI收錄期刊發表論文若干篇,其中 5 篇論文標記本項目資助號碼1506RJZA095;授權專利5項,其中發明專利授權1項。課題組成員先后參加會議和學術交流約27人次。