CN105426957B - 一种电磁辐射下的神经元电活动模拟器 - Google Patents

一种电磁辐射下的神经元电活动模拟器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电磁辐射下的神经元电活动模拟器，包括神经元电路，其特征在于，还包括电磁辐射效应电路和加法器，且电磁辐射效应电路的输入端分别与神经元电路的输出端、等效外界磁通连接，以输入神经元响应即膜电位x和等效外界磁通量φext，电磁辐射效应电路的输出端与加法器连接，输出电磁辐射效应电路对神经元的电磁辐射作用i与流入神经元细胞膜的离子电流Iext经加法器求和后，接入神经元电路neuron的输入端，本神经元电活动模拟器工作稳定后输出包含电磁记忆效应的神经元响应即膜电位x。本发明考虑了神经元膜电位放电的电磁记忆效应，保证了神经元电活动规律。

Description

一种电磁辐射下的神经元电活动模拟器
技术领域
本发明属于电子技术领域，具体涉及一种电磁辐射下的神经元电活动模拟器。
背景技术
1952年，英国生物学家Hodgkin与Huxley提出了有关生物神经元电活动规律的离子学说，在这个基础上建立了能够模拟神经元膜电位活动的H-H神经元模型。该模型在恰当的参数和外界刺激下能够模拟诸如枪乌贼轴突动作电位实验中观察到的尖峰放电、簇放电和混沌放电等现象。1981年，Cathy Morris和Harold Lecar对H-H模型进行简化得到了包含离子通道效应的Morris–Lecar神经元模型，目前在诸多的简化神经元模型中，Hindmarsh-Rose神经元模型则常常用来研究神经元电活动的模式迁移。另一方面，考虑生物实验的设备要求比较高，一些学者提出设计智能振荡电路来模拟神经元电活动的振荡行为，并利用频谱分析来研究神经元电活动的相位变化问题。2007年，Nowotny等研究了一类微神经元电路的尖峰放电和簇放电的动力学问题。2012年，Dahasert等利用积分器设计了一类神经元电路来模拟Hindmarsh-Rose神经元无自突触作用下的放电特性,并探讨了硬件实现和神经元电路同步问题。2014年马军等利用Pspice软件设计了一类包含离子通道效应的Morris–Lecar神经元电路来模拟神经元电活动特性。2015年任国栋等设计了一类包含自突触反馈的神经元电路来探究神经元电自突触的生物功能和自适应特性。
但无论哪种研究，当神经元或者神经组织处于复杂的电磁环境下，如图1所示，神经元电活动行为必然受到多尺度的影响，比如离子通道的电导和活化，激发性都可能受到影响，进一步影响神经元电活动规律。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种电磁辐射下的神经元电活动模拟器，考虑了神经元膜电位放电的电磁记忆效应，保证了神经元电活动规律。
本发明的电磁辐射下的神经元电活动模拟器，包括神经元电路，其还包括电磁辐射效应电路和加法器，且电磁辐射效应电路的输入端分别与神经元电路的输出端、等效外界磁通连接，以输入神经元响应即膜电位x和等效外界磁通量φext，电磁辐射效应电路的输出端与加法器连接，输出电磁辐射效应电路对神经元的电磁辐射作用i与流入神经元细胞膜的离子电流Iext经加法器求和后，接入神经元电路neuron的输入端，本神经元电活动模拟器工作稳定后输出包含电磁记忆效应的神经元响应即膜电位x。
所述电磁辐射效应电路包括：电阻Rm1～12，运放U11B、U11C、U11D，电容Cm1，乘法器Um1、Um2；
连接关系为：
电阻Rm2一端与运放U11B的同向输入端连接，另一端并入电阻Rm6与电阻Rm7之间；Rm3一端与运放U11B的反向输入端连接，另一端输入神经元的膜电位x；Rm1一端与运放U11B的反向输入端连接，另一端输入等效外界磁通φext；Rm4的两端分别与运放U11B的输出端和反向输入端连接；
Rm5的两端分别与运放U11B的输出端、运放U11C的反向输入端连接；运放U11C的正向输入端接地，电容Cm1的两端分别与运放U11C的反向输入端和输出端连接；运放U11C的输出端串接Rm6和Rm7后接地；
乘法器Um2的输入端与运放U11C的输出端连接，乘法器Um2的输出端串接Rm8和Rm10后与运放U11D的反向输入端连接，Rm9的一端接地、另一端并入Rm8与Rm10之间，Rm11的一端接入电源正极、另一端与运放U11D的反向输入端连接，Rm12的两端分别与运放U11D的反向输入端和输出端连接；乘法器Um1的输入端分别与运放U11D的输出端、神经元的膜电位x连接，乘法器Um1的输出端输出电磁辐射作用i。
本发明具有如下有益效果：
在现有的神经元电路上增加了电磁辐射效应电路，引入了磁通变量，构建了电磁环境下神经元电活动模型，考虑了神经元膜电位放电的电磁记忆效应，从而保证了神经元电活动规律。
附图说明
图1为现有技术的神经元电活动模拟器示意图；
图2为本发明的电磁辐射下的神经元电活动模拟器示意图；
图3为本发明的电磁辐射效应电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
在利用电路来模拟神经元电活动以及电磁响应时，关键问题是电路如何吸收，存储外界电磁辐射，即外界电磁辐射的等效刻画问题。本发明的目的就是考虑神经元膜电位放电的电磁记忆效应，基于三变量的Hind marsh-Rose神经元模型，如图1所示，对模型进行修正，引入了磁通变量，基于平均场理论将外场电磁辐射等效为磁通量，建立了电磁环境下神经元电活动模型，并设计了电路来验证其对外场辐射的响应效率。
如图2所示，本发明的电磁辐射下的神经元电活动模拟器包括：神经元电路neuron和电磁辐射效应电路EMI两部分构成。电磁辐射效应电路EMI的输入端分别与神经元电路neuron的输出端、等效外界磁通连接，输入神经元响应即膜电位x和等效外界磁通量φext，电磁辐射效应电路EMI的输出端输出电磁辐射效应电路EMI对神经元的电磁辐射作用i，与流入神经元细胞膜的离子电流Iext求和后接入，接入神经元电路neuron的输入端。其中i表示电磁辐射效应电路EMI对神经元的电磁辐射作用，该作用是神经元响应即膜电位x和等效外界磁通量φext的函数。Iext表示流入神经元细胞膜的离子电流，x是神经元的膜电位,φext是外部电磁环境的等效外界磁通。
电磁辐射作用i可以表示为
其中，k1是放大系数，ρ(φ)表示磁控记忆阻抗，x是神经元的膜电位，表示磁通，α和β是拟合参数，φext是等效外界磁通，k2是一个类自感系数。
如图3所示，电阻Rm2一端与运放U11B的同向输入端连接，另一端并入电阻Rm6与电阻Rm7之间；Rm3一端与运放U11B的反向输入端连接，另一端输入神经元的膜电位x；Rm1一端与运放U11B的反向输入端连接，另一端输入等效外界磁通φext；Rm4的两端分别与运放U11B的输出端、反向输入端连接；Rm5的两端分别与运放U11B的输出端、运放U11C的反向输入端连接；运放U11C的正向输入端接地，电容Cm1的两端分别与运放U11C的反向输入端、输出端连接；运放U11C的输出端串接Rm6、Rm7后接地；乘法器Um2的输入端与运放U11C的输出端连接，乘法器Um2的输出端串接Rm8、Rm10后与运放U11D的反向输入端连接，Rm9的一端接地、另一端并入Rm8、Rm10之间，Rm11的一端接入电源正极、另一端与运放U11D的反向输入端连接，Rm12的两端分别与运放U11D的反向输入端、输出端连接；乘法器Um1的输入端分别与运放U11D的输出端、神经元的膜电位x连接，乘法器Um1的输出端输出电磁辐射作用i。诶
图3中：运放U11B实现表达式(3)等号右边的加法运算，其中，Rm4/Rm3实现该表达式等号右边x的系数1，Rm4/Rm1实现该表达式等号右边φext的系数1，(Rm7*Rm4)/[(Rm6+Rm7)*Rm2]实现该表达式等号右边的系数k2；运放U11C是积分器，实现表达式(3)等号左边的变量该变量是一个非线性项，电阻Rm5和电容Cm1的乘积是积分常数。Um2是乘法器实现表达式(2)右边的平方；电阻Rm8和Rm9是个电阻分压电路；运放U11D实现表达式(2)等号右边的加法运算，其中Rm12/Rm10与Rm9/(Rm8+Rm9)相乘得到的系数3β的k1倍；Rm12/Rm11放大电压源，即等式2右边α的k1倍。乘法器Um1实现表达式(1)等号右边的乘法运算，得到神经元的等效感应电流i。运放U11C输出端得到表达式(3)中的变量该变量是一个非线性项，在电路中由电阻Rm1、Rm2、Rm3、Rm4、Rm5、Rm6、Rm7和电容Cm1以及运放U11B和U11C实现。运放U11D输出端得到表达式(2)中的变量ρ(φ)的k1倍，该变量是的二次函数，在电路中由电阻Rm8、Rm9、Rm10、Rm11、Rm12，乘法器Um2和运放U11D实现。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种电磁辐射下的神经元电活动模拟器，包括神经元电路，其特征在于，还包括电磁辐射效应电路和加法器，且电磁辐射效应电路的输入端分别与神经元电路的输出端、等效外界磁通连接，以输入神经元响应即膜电位x和等效外界磁通量φext，电磁辐射效应电路的输出端与加法器连接，输出电磁辐射效应电路对神经元的电磁辐射作用i与流入神经元细胞膜的离子电流Iext经加法器求和后，接入神经元电路neuron的输入端，本神经元电活动模拟器工作稳定后输出包含电磁记忆效应的神经元响应即膜电位x；
电磁辐射效应电路包括：电阻Rm1～12，运放U11B、U11C、U11D，电容Cm1，乘法器Um1、Um2；
连接关系为：
电阻Rm2一端与运放U11B的同向输入端连接，另一端并入电阻Rm6与电阻Rm7之间；Rm3一端与运放U11B的反向输入端连接，另一端输入神经元的膜电位x；Rm1一端与运放U11B的反向输入端连接，另一端输入等效外界磁通φext；Rm4的两端分别与运放U11B的输出端和反向输入端连接；
Rm5的两端分别与运放U11B的输出端、运放U11C的反向输入端连接；运放U11C的正向输入端接地，电容Cm1的两端分别与运放U11C的反向输入端和输出端连接；运放U11C的输出端串接Rm6和Rm7后接地；
乘法器Um2的输入端与运放U11C的输出端连接，乘法器Um2的输出端串接Rm8和Rm10后与运放U11D的反向输入端连接，Rm9的一端接地、另一端并入Rm8与Rm10之间，Rm11的一端接入电源正极、另一端与运放U11D的反向输入端连接，Rm12的两端分别与运放U11D的反向输入端和输出端连接；乘法器Um1的输入端分别与运放U11D的输出端、神经元的膜电位x连接，乘法器Um1的输出端输出电磁辐射作用i。
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