基于fpga的电刺激下神经元随机响应及共振实验平台的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及生物医学工程技术，特别是一种基于FPGA的电刺激下神经元随机响 应及共振实验平台。
【背景技术】
[0002] 在神经系统中，噪声会作用于神经元的动作电位。传统观念认为噪声对神经元间 信息传递不利，然而研宄表明适当强度的随机噪声能有效提高可兴奋性神经元响应和处理 外界刺激信号的能力，其主要原因是噪声引发了神经系统的随机共振。随着对随机共振研 宄的深入，研宄者们发现不仅高斯噪声能对双稳态系统产生积极作用，其他信号也有类似 作用，如混沌信号或高频周期刺激。利用高频周期刺激能产生振动共振现象，即通过调节高 频信号的幅值可以增强非线性系统中的低频信号。研宄表明高、低两种频率信号同时存在 于人的大脑中，且神经系统响应外界刺激往往需要低频信号所携带的信息。因此对神经系 统中的振动共振现象研宄将为今后的脑刺激技术提供重要的理论依据。
[0003] 生物实验由于其高昂的成本以及伦理道德的底线而存在一定的局限性；计算机软 件仿真工作繁琐，而针对某一种特定神经元构建的模拟电路，实验可扩展性和灵活性都有 局限，不易于仿真工作的操作和开展。因此神经元共振现象以及电磁场刺激作用的高性能 硬件实现，是一个全新的研宄方向。
[0004] 现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA)技术是专用集成电 路（ASIC)领域中的一种半定制电路技术，其解决了定制电路的不足以及以往可编程器件 门电路数有限的问题，在以生物神经系统为对象的计算神经科学领域逐渐受到青睐。相对 于模拟电路平台开发周期长等缺点，FPGA因其集成度高、体积小、并行计算、可重复配置、编 程灵活、可靠性好、低功耗等优点使其能够实现真实时间尺度下神经元电生理活动仿真和 特性分析。应用能够并行运算的FPGA，可以完成真实时间尺度下神经元电生理活动仿真和 特性分析，提高运算效率，在神经元特性研宄、共振及电磁场作用研宄、仿生学、智能系统等 方面有着重要的应用价值。
[0005] 现有的技术还处于基础阶段，因此仍存在以下缺点：尚无基于FPGA的功能完善 的专用神经元共振现象及电磁场刺激实验平台；运用FPGA实现的硬件仿真神经元模型结 构比较简单，精度不高；人机界面尚未完善，无法进行实时的控制操作与数据分析，因此对 FPGA硬件神经元动态特性的操作分析比较困难。
【发明内容】
[0006] 针对上述技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种基于FPGA的电刺激下神 经元随机响应及共振实验平台，使研宄人员可以灵活便捷的完成不同种类神经元共振的相 关实验，通过操作界面直观读取数据，为研宄神经元的信息传递、信息检测以及非线性特性 以及电磁场对神经元的作用提供重要理论依据。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种基于FPGA的电刺激下神经 元随机响应及共振实验平台，其中：该实验平台包括有相互连接的FPGA开发板和上位机， 所述FPGA开发板包括有FPGA芯片I、FPGA芯片II、FPGA芯片III、FPGA芯片IV、USB接口 模块、SDRAM存储模块；USB接口模块包含有以依次相连的USB接口芯片，USB接口，串行 EEPROM ;FPGA芯片II、FPGA芯片III、FPGA芯片IV分别接收FPGA芯片I输出的刺激信号， FPGA芯片II、FPGA芯片III、FPGA芯片IV产生的数字信号输入到FPGA芯片I中进行计算； FPGA芯片I输出计算后的信号输入到USB接口模块中从而与上位机进行数据通讯，同时输 出计算后的信号输入到SDRAM存储模块进行数据存储。
[0008] 在FPGA芯片I上用Verilog HDL语言编程搭建分路器、三选一数据选择器，与所 述分路器相连有五选一数据选择器、Nios II软核处理器，三选一数据选择器接收FPGA芯片 II、FPGA芯片III、FPGA芯片IV输出的信号进行数据选择；FPGA芯片I上包含的Nios II软核 处理器输出神经元模型选择信号、刺激类型选择信号分别到三选一数据选择器、五选一数 据选择器中进行控制。
[0009] 所述FPGA芯片II、FPGA芯片III、FPGA芯片IV采用Verilog HDL语言编程搭建 Morris-Lecar神经元模型、FHN神经元模型、Hodgkin-Huxley神经元模型。
[0010] 在FPGA芯片I上采用Verilog HDL语言搭建三选一数据选择器、直流刺激信号发 生器、正弦信号发生器、脉冲信号发生器、高斯白噪声发生器、有色噪声信号发生器，直流刺 激信号发生器、正弦信号发生器、脉冲信号发生器、高斯白噪声发生器、有色噪声信号发生 器均与五选一数据选择器相连。
[0011] 所述Morris-Lecar神经元模型、FHN神经元模型、Hodgkin-Huxley神经元模型三 种模型产生的数字信号传输到FPGA芯片I进行数据选择，由三选一数据选择器选择的神 经元膜电位信号传输到USB接口模块中与上位机进行数据通信。
[0012] 所述上位机通过C++编程实现人机操作界面并通过USB接口模块与FPGA芯片II、 FPGA芯片IV进行通讯，计算数据存储在SDRAM模块中；
[0013] 所述Izhikevich神经元模型、FHN神经元模型、Hodgkin-Huxley神经元模型通过 Verilog HDL语言编程，并分别编译下载到FPGA芯片I、FPGA芯片II、FPGA芯片III、FPGA 芯片IV中，所述人机操作界面输入的信号通过USB接口模块传到FPGA芯片I中，通过FPGA 芯片I片上的Nios II软核处理器对三选一数据选择器输出控制指令，进行对数据通路的 选择，同时Nios II软核处理器输出控制指令到USB接口模块，从而实现对USB数据传输的 控制；Morris-Lecar神经元模型、FHN神经元模型、Hodgkin-Huxley神经元模型分别通过 Morris-Lecar神经元流水线模型、FHN神经元流水线模型、Hodgkin-Huxley神经元流水线 模型基于欧拉法离散化计算，产生信号传输到三选一数据选择器中进行数据选择产生膜电 位信号，并通过Nios II软核处理器传输到人机操作界面中，进行波形显示与数据分析处理 操作。
[0014] 本发明的有益效果是该仿真实验平台实现了复杂的神经元共振现象的建模，设计 了兼具可视化与可操作性的人机界面，提高了系统的灵活性和可操作性，能够在时间尺度 内对与生物神经元数学模型进行仿真；同时，该实验平台为研宄电场作用下神经元的随机 响应及共振现象提供了真实时间尺度内的可视化实验平台，对理解大脑对弱信号的检测和 传递机制的研宄有重要的实用价值。基于高速并行计算的FPGA神经元功能特性仿真是一 种无动物实验的方法，其实验平台的应用研宄在世界范围内属于一项前沿的科技领域。本 方案提出了神经元共振以及电磁场刺激作用实验平台，其具有以下几点优势：1、所设计的 硬件仿真模型能够在时间尺度上保持与真实生物神经元的一致性，其中芯片最大工作频率 为200MHz，并行运算保证膜电位输出频率在1毫秒之内，满足真实神经元时间尺度要求，为 神经元共振现象的研宄提供了更加快速、便携的硬件实验平台；2、本平台中外部刺激的关 键参数、神经元类型、外部刺激信号类型等都可以通过上位机软件界面配置，完成了利用计 算机用户操作界面配置实验设备的各种特性；3、人机操作界面可以实时观测神经元放电状 态与噪声信号的波形，并可以定量测得信号的幅值与能量，同时进行神经元分岔等特性分 析，数据存储功能便于后续数据的分析工作，为电场刺激作用下神经元随机响应及共振的 研宄提供了更好的可视化实验研宄平台。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明的实验平台系统结构示意图；
[0016] 图2为Morris-Lecar神经元流水线模型；
[0017] 图3为FHN神经元流水线模型；
[0018] 图4为Hodgkin-Huxley神经元流水线模型；
[0019] 图5为本发明的人机操作操作界面I示意图；
[0020] 图6为本发明的人机操作操作界面II示意图；
[0021] 图7为本发明的人机操作操作界面III示意图。
[0022] 图中：
[0023] I. FPGA开发板 2.上位机 3.