[00121573]自突触作用下HR神经元模型的电路实现及环形网络

一、课题来源与背景 本项目属甘肃省自然科学基金,项目编号:1506RJZA095。神经元在自突触作用下可以诱发各类放电活动的迁移, 神经元动作电位对电自突触的响应比较敏感. 通常用包含延迟因子和增益的反馈回路电流来刻画自突触对神经元动作电位的影响. 基于Pspice软件, 设计了包含自突触效应的神经元电路, 用以延迟反馈电路来模拟电自突触对电位的调制作用. 研究结果发现: 1)在外界刺激和电自突触回路协同作用下, 神经元电路输出信号可以呈现静息态, 尖峰放电, 簇放电状态. 2)在时变增大的外界刺激下和自突触回路驱动下, 神经元电路的输出电位序列在多种电活动模式之间（静息, 尖峰放电, 簇放电）交替出现, 其机理在于自突触回路具有记忆特性, 神经元对于不同的外界刺激可以做出不同模式的响应. 3)在给定比较大外界刺激下, 改变反馈回路的增益, 发现电路输出的序列也可以呈现不同模式交替,即神经元对于相同的刺激可以通过自我调节自突触增益来产生不同模式的响应, 其机理可能在于回路的有效反馈, 这有助于理解突触的可塑性。 二、技术原理及性能指标 利用数值仿真和电子电路技术,研究简单/复杂网络环境下神经元放电活动。 三、技术的创造性与先进性 探索利用噪声、（化学/电突触）耦合和网络抑制/兴奋神经元（同步）放电的规律。 四、技术的成熟程度,适用范围和安全性 探索了神经元的电自突触结构对神经元膜电位放电活动的调节作用,以及噪声环境下神经元网络的同步放电活动。研究发现电自突触对神经元膜电位放电模式具有调节作用,而噪声能够促进神经元膜电位的同步放电。这能够为神经医学领域治疗癫痫等疾病方面提供理论支持。 探索了电磁辐射环境下神经元膜电位的放电活动,为此在神经元模型中引入忆阻器,发现神经元膜电位放电由于忆阻器作用区域低频;而且忆阻器有益于神经元膜电位的同步放电。因此,可以利用具有忆阻器效应的神经元模型设计电磁场探测器。 利用单片机设计的高斯白噪声发生器可以做为价格低廉,性能可靠的噪声发生器用于电子设备的测试。 五、应用情况及存在的问题 实验证明,采用价格低廉的运算放大器设计能够模拟HR神经元膜电位放电活动的电路是可行的,基于运算放大器的HR神经元模型之电路可以模拟神经元膜电位的放电活动,如Spiking放电和Bursting放电。引入神经元的自突触结构,发现电自突触对于神经元的放电活动具有调控作用;由于随机共振,噪声有利于神经元膜电位放电的同步行为;电磁辐射对神经元膜电位放电活动的影响表明场耦合可能是控制神经元膜电位放电的方式之一。 基于法拉第电磁感应定律,在HR神经元模型内引入磁通量刻画神经元细胞膜内外离子浓度分布变化引起的电磁场效应;并利用磁控忆阻器表征该磁通引起的感应电流。实验发现,相对于原始的HR模型,考虑电磁感应效应后,神经元放电频率更倾向于低频;在负反馈耦合的两只HR神经元模型电路之间,基于忆阻器的电磁感应效应有益于神经元的同步放电。 采用单片机设计了高斯白噪声发生器作用于HR神经元模型电路,实验发现由于随机共振噪声可能触发神经元放电,但是实验中也发现噪声可能抑制神经元的放电;在单向耦合的环形神经元网络中,实验发现噪声能够减小网络同步的临界耦合强度,即噪声有助于单向耦合网络的同步放电;实验发现双向耦合情况的同步临界耦合强度会进一步减小;而且由于耦合作用,网络能够触发神经元的放电。 课题编号1506RJZA095支持的神经元膜电位的放电动力学及其网络的动力学行为的分析建立在简化的HR模型基础上,缺乏较真实的物理模型分析;其中神经元膜电位放电动力学模型中具备物理含义的是HH模型,该模型为电容充放电模型;该模型及其网络在自突触以及噪声等环境下的行为的精细刻画有待进一步的讨论。另外课题编号1506RJZA095支持的工作主要是基于数值分析的结果,缺乏解析解的分析,如网络的同步分析等。 六、历年获奖情况 “中国物理学会2018年度最有影响论文”1篇。 任国栋,武钢,马军*,陈旸,一种自突触作用下神经元电路的设计和模拟,物理学报（2015）64:058702 七、成果简介要向社会公开,请不要填写商业秘密内容 该成果简介不涉及任何商业秘密内容。 对 Hindmarsh-Rose（HR） 神经元模型表征的膜电位放电活动利用运算放大器进行了建模和计算;对神经元的电自突触利用运算放大器进行了建模;利用运算放大器模拟忆阻器,研究了电磁辐射对 HR 神经元膜电位放电活动以及神经元网络同步行为的影响;利用单片机设计了高斯白噪声发生器作用于环形神经元网络,研究环形网络中的网络同步放电行为以及规则神经元网络中螺旋波的运动。 课题组成员在项目资助期间先后在SCI收录期刊发表论文若干篇,其中 5 篇论文标记本项目资助号码1506RJZA095;授权专利5项,其中发明专利授权1项。课题组成员先后参加会议和学术交流约27人次。