一种帕金森相关脑区的仿真实验方法及装置与流程

本发明涉及一种帕金森相关脑区的仿真实验方法及装置，属于人脑仿真研究。

背景技术：

1、帕金森病(parkinson’s disease,pd)是一种神经系统的退化性疾病，其最主要的病理改变是基底核(basal ganglia,bg)中纹状体的多巴胺含量显著性减少而致病。目前帕金森病的治疗方法主要包括药物治疗和深部脑刺激(deep brain stimulation,dbs)等，其中，dbs技术是通过神经刺激器对大脑中的目标核团施加电脉冲，达到治疗运动和神经精神疾病的作用。然而，dbs改善pd患者临床表现的作用机制仍不明确，并不是所有pd患者在接受dbs手术后均有明显的症状改善，一般而言，低频的(<50hz)dbs没有显著地治疗效果甚至会使pd患者的症状加重，而高频的(>100hz)dbs会改善pd患者的临床症状，因此研究清楚dbs的治疗机制显得尤为重要。

2、目前，针对dbs的研究主要依赖生物实验，由于dbs治疗法是对脑中神经元施加电刺激，该方案实施起来具有较高风险，难以进行大量实验，而dbs刺激的位置、刺激的大小稍作改变都可能对结果造成很大的影响，缺乏大量实验的情况下难以研究清楚dbs的治疗机制，传统生物实验实施困难的缺点严重限制了dbs的研究。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种帕金森相关脑区的仿真实验方法及装置，构建了神经元模型和脉冲神经网络模型，基于类脑计算平台对bg系统中的神经元进行仿真，并在仿真模型上进行dbs实验，能够在不存在实验风险的情况下进行大量实验，有利于研究dbs的治疗机制。

2、为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：

3、第一方面，本发明提供一种帕金森相关脑区的仿真实验方法，包括如下步骤：

4、根据帕金森相关脑区内神经元的生物信息，在类脑计算平台上建立神经元模型；

5、利用所述神经元模型在类脑计算平台上构建帕金森相关脑区的脉冲神经网络模型；

6、利用所述类脑计算平台运行所述脉冲神经网络模型，进行帕金森相关脑区仿真；

7、在仿真的帕金森相关脑区进行深部脑刺激实验，获取仿真实验结果。

8、结合第一方面，进一步的，所述帕金森相关脑区包括兴奋性输入神经元、丘脑底核神经元、丘脑神经元、外部苍白球神经元和内部苍白球神经元。

9、结合第一方面，进一步的，根据帕金森相关脑区内神经元的生物信息，在类脑计算平台上建立神经元模型，包括：

10、根据帕金森相关脑区内神经元的生物信息确定神经元模型的基础参数，并设置所述基础参数的更新方式；

11、根据所述基础参数计算帕金森相关脑区内不同神经元之间的突触电流；

12、根据所述基础参数以及不同神经元之间的突触电流，得到每个神经元的神经元模型；

13、其中，所述基础参数包括逆转电位、电导、计算步长、门控变量、离子电流和膜电位。

14、结合第一方面，进一步的，丘脑底核神经元模型的表达式为：

15、

16、其中，cstn为丘脑底核神经元模型的膜电容，vstn为丘脑底核神经元模型的膜电位，t为计算步长，为丘脑底核神经元模型的漏电流，为丘脑底核神经元模型的中k离子通道的电流，为丘脑底核神经元模型的中na离子通道的电流，为丘脑底核神经元模型的中t-type ca离子通道的电流，为丘脑底核神经元模型的中ca离子通道的电流，igpe→stn为外部苍白球神经元到丘脑底核神经元的抑制性突触电流，idbs为深部脑刺激电流；

17、丘脑神经元模型的表达式为：

18、

19、其中，ctc为丘脑神经元模型的膜电容，vtc为丘脑神经元模型的膜电压，为丘脑神经元模型的漏电流，为丘脑神经元模型中k离子通道的电流，为丘脑神经元模型中na离子通道的电流，为丘脑神经元模型中t-type ca离子通道的电流，igpi→tc为内部苍白球神经元到丘脑神经元的抑制性突触电流，iex为兴奋性输入神经元到丘脑神经元的兴奋性突触电流；

20、外部苍白球神经元模型的表达式为：

21、

22、其中，cgpe为外部苍白球神经元模型的膜电容，vgpe为外部苍白球神经元模型的膜电压，为外部苍白球神经元模型的漏电流，为外部苍白球神经元模型中k离子通道的电流，为外部苍白球神经元模型中na离子通道的电流，为外部苍白球神经元模型中t-type ca离子通道的电流，为外部苍白球神经元模型中ca离子通道的电流，istn→gpe为丘脑底核神经元到外部苍白球神经元的兴奋性突触电流，igpe→gpe为外部苍白球神经元自身的抑制性突触电流；

23、内部苍白球神经元模型的表达式为：

24、

25、其中，cgpi为内部苍白球神经元模型的膜电容，vgpi为内部苍白球神经元模型的膜电压，为内部苍白球神经元模型的漏电流，为内部苍白球神经元模型中k离子通道的电流，为内部苍白球神经元模型中na离子通道的电流，为内部苍白球神经元模型中t-type ca离子通道的电流，为内部苍白球神经元模型中ca离子通道的电流，istn→gpi为丘脑底核神经元到内部苍白球神经元的兴奋性突触电流，igpe→gpi为外部苍白球神经元到内部苍白球神经元的抑制性突触电流；

26、兴奋性输入神经元模型的表达式为：

27、

28、其中，cex为兴奋性输入神经元模型的膜电容，vex为兴奋性输入神经元模型的膜电压，为兴奋性输入神经元模型的漏电流，为兴奋性输入神经元模型中k离子通道的电流，为兴奋性输入神经元模型中na离子通道的电流。

29、结合第一方面，进一步的，所述利用所述神经元模型在类脑计算平台上构建帕金森相关脑区的脉冲神经网络模型，包括：

30、在所述类脑计算平台上为帕金森相关脑区内每类神经元创建一个种群，所述种群内包含多个该类神经元的神经元模型；

31、根据帕金森相关脑区内各类神经元之间的连接关系设置连接列表；

32、根据所述连接列表对所述类脑计算平台上的各类神经元种群进行连接，并设置神经元模型之间的连接权重，得到帕金森相关脑区的脉冲神经网络模型。

33、结合第一方面，进一步的，所述利用所述类脑计算平台运行所述脉冲神经网络模型，进行帕金森相关脑区仿真，包括：

34、初始化所述脉冲神经网络模型的模型参数，设置所述脉冲神经网络模型的运行时间、计算步长以及兴奋性输入神经元的输入电流；

35、利用所述类脑计算平台运行所述脉冲神经网络模型，在兴奋性输入神经元上施加所述输入电流从而模拟所述脉冲神经网络模型的兴奋性输入脉冲；

36、利用所述类脑计算平台调整所述脉冲神经网络模型中各神经元模型之间的连接权重，模拟帕金森相关脑区的神经元活动。

37、第二方面，本发明提供一种帕金森相关脑区的仿真实验装置，包括：

38、神经元模型化模块，用于根据帕金森相关脑区内神经元的生物信息，在类脑计算平台上建立神经元模型；

39、脉冲神经网络搭建模块，用于利用所述神经元模型在类脑计算平台上构建帕金森相关脑区的脉冲神经网络模型；

40、仿真模块，用于利用所述类脑计算平台运行所述脉冲神经网络模型，进行帕金森相关脑区仿真；在仿真的帕金森相关脑区进行深部脑刺激实验，获取仿真实验结果。

41、结合第二方面，进一步的，所述神经元模型化模块的具体操作如下：

42、根据帕金森相关脑区内神经元的生物信息确定神经元模型的基础参数，并设置所述基础参数的更新方式；

43、根据所述基础参数计算帕金森相关脑区内不同神经元之间的突触电流；

44、根据所述基础参数以及不同神经元之间的突触电流，得到每个神经元的神经元模型；

45、其中，所述基础参数包括逆转电位、电导、计算步长、门控变量、离子电流和膜电位。

46、结合第二方面，进一步的，所述脉冲神经网络搭建模块的具体操作如下：

47、在所述类脑计算平台上为帕金森相关脑区内每类神经元创建一个种群，所述种群内包含多个该类神经元的神经元模型；

48、根据帕金森相关脑区内各类神经元之间的连接关系设置连接列表；

49、根据所述连接列表对所述类脑计算平台上的各类神经元种群进行连接，并设置神经元模型之间的连接权重，得到帕金森相关脑区的脉冲神经网络模型。

50、结合第二方面，进一步的，所述仿真模块，利用所述类脑计算平台运行所述脉冲神经网络模型，进行帕金森相关脑区仿真，包括：

51、初始化所述脉冲神经网络模型的模型参数，设置所述脉冲神经网络模型的运行时间、计算步长以及兴奋性输入神经元的输入电流；

52、利用所述类脑计算平台运行所述脉冲神经网络模型，在兴奋性输入神经元上施加所述输入电流从而模拟所述脉冲神经网络模型的兴奋性输入脉冲；

53、利用所述类脑计算平台调整所述脉冲神经网络模型中各神经元模型之间的连接权重，模拟帕金森相关脑区的神经元活动。

54、采用以上技术手段后可以获得以下优势：

55、本发明提出了一种帕金森相关脑区的仿真实验方法及装置，在类脑计算平台上对帕金森相关脑区进行数学建模，得到帕金森相关脑区内神经元的神经元模型，连接神经元模型形成完整的脉冲神经网络模型，从而在类脑计算平台上准确模拟帕金森相关脑区情况，为帕金森相关脑区的研究提供仿真实验基础。本发明通过在仿真的帕金森相关脑区施加深部刺激电流实现dbs实验，实验过程不涉及生物体，因此不存在治疗风险，解决了传统生物实验实施困难的缺点。而且本技术可以通过调整脉冲神经网络模型的参数模拟不同的脑区环境，提供大量仿真实验场景，通过本发明进行大批量仿真实验，有利于快速推进dbs治疗机制的研究进程。