一种电磁辐射下的神经元电活动模拟器的制造方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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 放电和混纯放电等现象。1981年，CathyMorris和HaroldLecar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迀移。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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 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和等效外界磁通量电磁福射效应电路的 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1^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。
[0006] 所述电磁辐射效应电路包括：电阻Rml~12,运放U11B、U11C、U11D，电容Cml，乘 法器Uml、Um2 ;
[0007] 连接关系为：
[0008] 电阻Rm2 -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 -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;Rml-端与运 放U11B的反向输入端连接，另一端输入等效外界磁通<i>ext;Rm4的两端分别与运放U11B的 输出?而和反向输入?而连接；
[0009] 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Cml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；
[0010] 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 RmlO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RmlO之间，Rml1 的一端接入电源正极、另一端与运放U11D的反向输入端连接，Rml2的两端分别与运放U11D 的反向输入端和输出端连接；乘法器Uml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Uml的输出端输出电磁辐射作用i。
[0011] 本发明具有如下有益效果：
[0012] 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】
[0013] 图1为现有技术的神经元电活动模拟器示意图；
[0014] 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；
[0015] 图3为本发明的电磁辐射效应电路示意图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0017] 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Hindmarsh-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。
[0018] 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和电磁福射效应电路EMI两部分构成。电磁福射效应电路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Φ&，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<Kxt的函数。表示流入神经元细胞膜的离子电流，X是神 经元的膜电位，Φ&是外部电磁环境的等效外界磁通。
[0019] 电磁辐射作用i可以表示为
[0020]
[0021]
[0022]
[0023] 其中，h是放大系数，Ρ(Φ)表示磁控记忆阻抗，x是神经元的膜电位，P表示磁 通，α和β是拟合参数，Φ&是等效外界磁通，k2是一个类自感系数。
[0024] 如图3所示，电阻Rm2 -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 -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; Rml-端与运放U11B的反向输入端连接，另一端输入等效外界磁通<i>ext;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Cml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、RmlO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、RmlO之间，Rmll的一端接入电源正极、另一端与运放 U11D的反向输入端连接，Rml2的两端分别与运放U11D的反向输入端、输出端连接；乘法器 Uml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Uml的输出端输出 电磁辐射作用i。诶
[0025] 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/Rml实现该表达式等号右边（i>ext的系数1，（Rm7*Rm4)/ [(Rm6+Rm7)*Rm2]实现该表达式等号右边p的系数k2 ;运放U11C是积分器，实现表达式（3) 等号左边的变量許，该变量是一个非线性项，电阻Rm5和电容Cml的乘积是积分常数。Um2是 乘法器实现表达式（2)右边F的平方；电阻Rm8和Rm9是个电阻分压电路；运放U11D实现表 达式⑵等号右边的加法运算，其中Rml2/Rml0与Rm9ARm8+Rm9)相乘得到#的系数3β 的kl倍；Rml2/Rmll放大电压源，即等式2右边α的kl倍。乘法器Uml实现表达式⑴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Rml、Rm2、Rm3、Rm4、Rm5、Rm6、Rm7和电容 Cml以及运放U1IB和U11C实现。运放U1ID输出端得到表达式⑵中的变量P(Φ)的kl 倍，该变量是f的二次函数，在电路中由电阻Rm8、Rm9、RmlO、Rmll、Rml2,乘法器Um2和运放 U11D实现。
[0026] 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。
【主权项】
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和等效外界磁通量电磁福射效应电路 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1^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。2. 如权利要求1所述的电磁辐射下的神经元电活动模拟器，其特征在于，电磁辐射效 应电路包括：电阻伽1~12，运放1]1川、1]11(：、1]110，电容〇111，乘法器1]1111、1]1112; 连接关系为： 电阻Rm2 -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 -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;Rml-端与运放 U11B的反向输入端连接，另一端输入等效外界磁通<i>ext;Rm4的两端分别与运放U11B的输 出立而和反向输入?而连接； 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Cml的两端分别与运放Ul1C的反向输入端和输出端连接；运放Ul1C的 输出端串接Rm6和Rm7后接地； 乘法器Um2的输入端与运放Ul1C的输出端连接，乘法器Um2的输出端串接Rm8和RmlO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RmlO之间，Rmll的 一端接入电源正极、另一端与运放U11D的反向输入端连接，Rml2的两端分别与运放U11D的 反向输入端和输出端连接；乘法器Uml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Uml的输出端输出电磁辐射作用i。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G06N3/06
【公开号】CN105426957
【申请号】CN201510746535
【发明人】马军, 任国栋
【申请人】兰州理工大学
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年11月6日