神经元网络检测信号装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及神经元领域，尤涉及神经元信号检测技术。
【背景技术】
[0002] 在生物体内广泛存在的神经元，神经元是处理信息的基本单元，在不同外界刺激 下可做出适当的响应行为。由于兴奋在神经元之间的传递是单向的，导致兴奋在完整反射 弧中的传导也是单向的，只能由传入神经传人，由传出神经传出。神经元能够对流入和流出 神经元的跨膜离子电流产生响应，从而表现出神经元膜电位的放电动作，如静息，spiking 放电，bursting放电或者混纯放电等。当神经元的跨膜离子电流较低时，神经元的膜电 位动作表现为静息；在较大的神经元跨膜离子电流作用下，神经元的膜电位动作表现为 spiking放电，bursting放电或者混纯放电。
[0003] 20世纪80年代初期，美国加州技术学院的生物物理学家John J. Hopfield博士 发表了一篇重要的论文。文中动力学模型被用于全连接的神经网络。并用集成电路硬件实 现了这个动力学系统。因为他的工作，为其它领域使用神经网络解决实际问题提供了可靠 依据。但这种神经网络的基本单元已不需要是神经元，它完全可以是一个电子元件或电子 线路，因而被称为是人工神经网络。Hopfield博士的工作使人工神经网络的出现和研究进 入一个新的高潮。人工神经网络系统是采用物理可实现的系统来模仿人工神经细胞的结构 和功能的系统。二十世纪九十年代初，Eckhorn提出了一种神经网络模型，这些生物模型是 耦合神经元网络连接方式的模型基础。在模型中，神经元通过相互耦合激励产生同步化，神 经元对于相似的输入数据能够同步爆发，对于上述的生物神经网络模型稍加改进，可构成 不同拓扑结构的如小世界，无标度或者规则连接下的神经元网络。神经元耦合系统是一个 新兴的非线性动力学研究领域，耦合振荡及同步是非线性动力学的一个基本现象。它发生 在许多物理、通信、生态和神经系统中并且在振荡的集体行为扮演重要的角色。特别是近年 来，親合神经元系统的同步和去同步问题是研究脑信息处理的关键，在国外Bazhenovt等 研究了链式抑制性化学突触耦合混沌行为；国内石霞等研究了具有环式结构的电耦合同步 模式；王青云等在《神经元耦合系统的同步动力学》中研究了对称结构的耦合神经元网络同 步的充分条件；杜艳海等研究了 N个最近邻親合网络親合的FitzHugh-Nagumo的同步振荡 等；本案发明人也在发表在Commun Nonlinear Sci Numer Simulat的论文《对親合神经元 电路检测噪声的影响》（Detection of noise effect on coupled neuronal circuits)中 对噪声对耦合神经元同步产生的影响进行了研究。
[0004] 而在医学领域，对于患有神经或精神疾病（如帕金森病、原发性震颤、张力 失常或强迫症）的患者，脑局部化区域（例如丘脑和基底神经节）内的神经细胞群 (Nervenzellenverbaende)病态地活跃，这样过于同步化会加重病症，因此需要研究神经元 同步的机理及抑制同步的发生。
[0005] 传统微弱信号检测电路是采用传感器+放大器的结构，其中放大器要求是高精度 的灵敏放大器，即足够的增益、低的输入失调且良好的线性度。如硬盘数据的读出放大器。 通常，噪声会降低信号的信噪比，影响了有用信息的提取。在某些非线性系统给中，噪声是 能够增强微弱信号的检测能力的，这称为随机共振现象。梁晓冰等人在《物理学报》2009年 第7期发表的《弱信号在Hodgkin-Huxley神经元单向耦合系统中的传输特性》利用随机共 振检测微弱信号的系统，见图1，即通过调制外界噪声强度到合适值达到随机共振态，使 得信号输出的信噪比达到最大，达到弱信号检测的目的。这种方案需要利用噪声诱发随机 共振，通过检测信噪比来判断是否有信号输出，由于随机共振是人为不可控的，同时信噪比 的判断也会出现失误，因此这种方案也有较大的不足。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供神经元网络检测信号的装置。
[0007] 为达到上述目的，本发明神经元网络检测信号装置，包括至少两个耦合的神经元， 每个神经元连接一个传输出直流电信号的传感器，耦合的神经元输出端连接一个同步判断 装置。
[0008] 所述的神经元还连接一个噪声发生器。
[0009] 所述的神经元为双向耦合。
[0010] 采用了上述方案后，利用传感器将物理或生物等信号转换为直流电信号，作用到 相互耦合的神经元或类神经元电路中，当耦合强度达到一定值后，神经元或类神经元电路 网络的放电行为也将达到同步，同步判断装置可以检测到该种电路的输出电压或电流响 应。
【附图说明】
[0011] 图1为现有检测信号装置结构原理图；
[0012] 图2为本发明神经元耦合结构示意图；
[0013] 图3为本发明神经元耦合实验结果电流曲线图；
[0014] 图4为本发明神经元网络电路结构图；
[0015] 图5为本发明结构示意图。
【具体实施方式】
[0016] 为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式 并配合附图详予说明。
[0017] 神经元之间通过相互耦合构成神经元网络。在神经元之间的耦合强度较低而且跨 膜离子电流较弱时神经元网络的放电行为是非同步的。当神经元的跨膜离子电流达到一定 阈值后，神经元网络的放电行为将达到同步；或者神经元之间的耦合强度达到一定阈值后， 神经元网络的放电行为也将达到同步。
[0018] 如图2所示，为神经元耦合的结构，左图为单向耦合神经元，左图为双向耦合神经 元，
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[0025] 表达式中，D是親合强度，ξ是噪声。
[0026] 图4是对神经元Nl双向耦合时耦合电路（表达式中D项）的示意图。单向耦合 时，对于神经元Nl的耦合电路中没有121这个支路。神经元的同步机制可以理解为神经元 之间相互作用，协调的结果，当耦合强度增大时意味着这种相互作用增强，所以容易达到同 步；刺激电流Iext大了，和噪声的作用类似，超过一个阈值则同步。
[0027] 在实验中，在刺激电流 Iext(DOO-Ol) =96uA，Iext(DlO-Il) =97uA，Iext(D20-21)= 78uA作用下，双向耦合强度等于0. 5时恰好同步；如图3所示，左图和右图中上方曲线表示 神经元Nl的动作响应；左图中的下方曲线表示神经元N2的动作响应；右图中的下方曲线 表示神经元N3的动作响应。实验发现，当双向耦合强度减小时神经元将不再同步；但是增 大双向耦合强度对同步的神经元同步没有影响。实验发现，双向耦合神经元同步所需的耦 合强度比单向耦合的要求要小；即双向耦合的神经元更容易同步。
[0028] 如图5所示，采用最简单的两个神经元耦合网络，其中Nl和N2表示神经元电路或 类神经元电路，couple表示神经元之间的親合作用，Sl和S2表示传感器，noise表示噪声发 生器，synchronization detector表示同步判断装置。系统的工作原理如下：传感器Sl和 S2将外界信号转换为直流电信号（该技术为公知技术，不是本案要表述的重点）分别作用 于神经元Nl和N2,神经元Sl和S2的输出信号是振荡信号。在親合单元couple的作用下，当 传感器的电信号达到足够强度时，神经元Sl和S2的输出振荡信号必将达到同步。否则，神 经元Sl和S2的输出振荡信号可能为异步。利用同步判断装置synchronization detector 可以判断神经元SI和S2的信号是否达到同步并且输出判断结果。当synchronization detector输出同步的判断结果，则可以认为系统检测到外界信号。
[0029] 在神经元中加入noise噪声发生器产生的噪声或提高couple親合作用的親合强 度可以提高系统检测外界信号的灵敏度，噪声作用可以理解为输入的能量水平高了，神经 元之间相互作用可以施加更多的能量，所以容易达到同步；反过来，由于有了噪声作用，对 同步所需的电信号强度以及耦合强度的阈值要求降低，可以检测到强度更弱的电信号。
[0030] 作用到通过親合电路couple联系的神经电路Nl和N2。调节親合强度到恰当值， 电信号的强度达到一定阈值的时候，神经电路的输出将达到同步。此时，可以认为系统检测 到了外界信号。
[0031] 这种方法利用传感器将物理或生物等信号转换为直流电信号，作用到神经元或类 神经元电路中，可以得到该种电路的输出电压或电流响应。当传感器转换的电信号是微弱 电压或电流时，神经元或类神经元电路的输出响应为静息；在传感器转换的电信号超过一 定的阈值时，这种输出响应表现为诸如spiking放电，bursting放电或者混纯放电。
[0032] 现有的信号检测方法一种需要设计高精度的灵敏放大器，检测电路的输出是电压 或电流等信号的幅值；另一种则是需要利用噪声引起随机共振，通过检测信噪比来判断是 否有信号输出。本发明只要设计耦合的神经元网络，通过调整耦合神经元的耦合强度，当直 流电信号达到一定的阀值就可达成同步而不是随机共振，增加噪声的作用只是为提供能量 使同步发生条件更低。
[0033] 以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发 明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技 术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【主权项】
1. 神经元网络检测信号装置，其特征在于：包括至少两个耦合的神经元，每个神经元 连接一个传输出直流电信号的传感器，耦合的神经元输出端连接一个同步判断装置。2. 如权利要求1所述的神经元网络检测信号装置，其特征在于：所述的神经元还连接 一个噪声发生器。3. 如权利要求1所述的神经元网络检测信号装置，其特征在于：所述的神经元为双向 耦合。
【专利摘要】本发明公开神经元网络检测信号装置，包括至少两个耦合的神经元，每个神经元连接一个传输出直流电信号的传感器，耦合的神经元输出端连接一个同步判断装置；采用了上述方案后，利用传感器将物理或生物等信号转换为直流电信号，作用到相互耦合的神经元或类神经元电路中，当耦合强度达到一定值后，神经元或类神经元电路网络的放电行为也将达到同步，同步判断装置可以检测到该种电路的输出电压或电流响应。
【IPC分类】G05B13/04
【公开号】CN105159067
【申请号】CN201510377072
【发明人】马军, 王春妮, 任国栋
【申请人】兰州理工大学
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年7月1日