到神經(jīng)元模型中，建立一個(gè)串聯(lián)的基于電導(dǎo)的反電勢(shì)網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，將神經(jīng)元輸出的膜電位和估計(jì)得到的電導(dǎo)值經(jīng)數(shù)據(jù)總線5傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡的輸入端。
[0039]第三，突觸電流實(shí)驗(yàn)。在突觸電流實(shí)驗(yàn)?zāi)K16中，神經(jīng)元模型I 18和神經(jīng)元模型III 21是在HH模型基礎(chǔ)上構(gòu)建的，而且是完全相同的；神經(jīng)元模型II 19是在Izhikevich模型基礎(chǔ)上構(gòu)建的。分別在神經(jīng)元模型I 18和神經(jīng)元模型III 21上施加完全相同的外部刺激，同時(shí)建立模擬突觸連接20，將神經(jīng)元模型I 18接收到的刺激通過(guò)突觸連接的方式加到神經(jīng)元模型II 19上，再以同樣的方式加到神經(jīng)元模型III 21上，將神經(jīng)元模型I 18和神經(jīng)元模型III 21的放電結(jié)果同時(shí)輸出并進(jìn)行比較。
[0040]第四，波形鉗位實(shí)驗(yàn)。在波形鉗位實(shí)驗(yàn)?zāi)K22中，本發(fā)明中提供了一個(gè)選擇外加給定信號(hào)的功能，首先由上位機(jī)軟件界面對(duì)信號(hào)的幅值、頻率、占空比、施加時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并由USB接口 4和數(shù)據(jù)總線5傳輸?shù)紽PGA芯片3中，而刺激選擇模塊23可以產(chǎn)生方波、三角波、階躍信號(hào)、脈沖信號(hào)等多種類型的信號(hào)，由乘法器24產(chǎn)生相應(yīng)的輸入波形25。將神經(jīng)元模型的膜電位V作為反饋量，與上位機(jī)所設(shè)置的輸入波形25進(jìn)行比較，將得到的誤差輸入到控制器，經(jīng)控制器26調(diào)節(jié)刺激波形的參數(shù)，使神經(jīng)元模型27的放電跟隨給定信號(hào)，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元模型放電的波形鉗位。
[0041]第五，響應(yīng)鉗位實(shí)驗(yàn)。峰峰間隔(inter spike interval, ISI)即神經(jīng)元峰放電波形中相鄰兩個(gè)峰電位的間隔，可用來(lái)描述神經(jīng)元在電突觸耦合下的神經(jīng)放電節(jié)律。在響應(yīng)鉗位實(shí)驗(yàn)?zāi)K32中，將神經(jīng)元模型30的放電進(jìn)行頻率估計(jì)31，得到各段的頻率，分別記為ISI1，ISI2，ISI3，ISI4……將ISI值作為反饋量，與上位機(jī)給定的頻率設(shè)定值28做比較，將誤差輸入響應(yīng)鉗位控制器29中，經(jīng)控制器調(diào)節(jié)，使神經(jīng)元模型30以期望的頻率進(jìn)行放電。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于FPGA的閉環(huán)電生理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其特征是:利用FPGA芯片結(jié)合D/A轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)建一種高精度的虛擬神經(jīng)元并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)電生理實(shí)驗(yàn)，該虛擬神經(jīng)元反映真實(shí)神經(jīng)元的生理特性，在電生理實(shí)驗(yàn)研究中代替真實(shí)神經(jīng)元；所述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括有相互連接的上位機(jī)(I)、數(shù)據(jù)采集卡(2)和FPGA芯片(3); 所述的上位機(jī)(I)與數(shù)據(jù)采集卡(2)通過(guò)USB接口連接，利用數(shù)據(jù)采集卡(2)采集FPGA芯片(3)的輸出數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)地通過(guò)上位機(jī)(I)的上位機(jī)軟件界面(49)的顯示模塊(52)以波形的形式顯示出來(lái)；所述的FPGA芯片(3)通過(guò)USB接口(4)與上位機(jī)⑴實(shí)現(xiàn)通訊，接收上位機(jī)(I)發(fā)出的數(shù)據(jù)和指令； 所述的FPGA芯片(3)中包含有電壓鉗位實(shí)驗(yàn)?zāi)K￠)、動(dòng)態(tài)鉗位實(shí)驗(yàn)?zāi)K(12)、突觸電流實(shí)驗(yàn)?zāi)K(16)、波形鉗位實(shí)驗(yàn)?zāi)K(22)以及響應(yīng)鉗位實(shí)驗(yàn)?zāi)K(32)，這五個(gè)模塊相互獨(dú)立，通過(guò)數(shù)據(jù)總線(5)將這五個(gè)模塊與上位機(jī)(I)和數(shù)據(jù)采集卡(2)相連接；所述的電壓鉗位實(shí)驗(yàn)?zāi)K￠)、動(dòng)態(tài)鉗位實(shí)驗(yàn)?zāi)K(12)、突觸電流實(shí)驗(yàn)?zāi)K(16)、波形鉗位實(shí)驗(yàn)?zāi)K(22)以及響應(yīng)鉗位實(shí)驗(yàn)?zāi)K(32)分別經(jīng)數(shù)據(jù)總線(5)相互連接獲取上位機(jī)(I)給定的參數(shù)，對(duì)FPGA芯片(3)中的參數(shù)進(jìn)行配置，由數(shù)據(jù)總線(5)將上位機(jī)(I)的輸入信號(hào)傳輸給所述的五個(gè)的模塊，并將輸出的信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡(2)的輸入端，完成閉環(huán)電生理實(shí)驗(yàn)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的閉環(huán)電生理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其特征是:所述的電壓鉗位實(shí)驗(yàn)?zāi)K(6)包括有電壓鉗位控制器(8)、神經(jīng)元模型(9)及無(wú)跡卡爾曼濾波器(11)，所述電壓鉗位控制器(8)與數(shù)據(jù)總線(5)相連，控制神經(jīng)元模型(9)放電，由無(wú)跡卡爾曼濾波器(11)接收神經(jīng)元模型(9)的放電輸出并與數(shù)據(jù)總線(5)連接，所述的電壓鉗位控制器(8)對(duì)神經(jīng)元模型(9)進(jìn)行調(diào)制，并使神經(jīng)元模型(9)跟蹤給定電壓信號(hào)(7)放電；所述的無(wú)跡卡爾曼濾波器(11)對(duì)離子電流強(qiáng)度、電導(dǎo)、反電勢(shì)、門控變量進(jìn)行估計(jì)并輸出到FPGA芯片⑶的輸出端。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的閉環(huán)電生理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其特征是:所述的動(dòng)態(tài)鉗位實(shí)驗(yàn)?zāi)K(12)包括有由動(dòng)態(tài)鉗位控制器(14)、神經(jīng)元模型(15)及無(wú)跡卡爾曼濾波器(II)，由動(dòng)態(tài)鉗位控制器(14)連接數(shù)據(jù)總線(5)，并對(duì)神經(jīng)元模型(15)進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)無(wú)跡卡爾曼濾波器(11)接收神經(jīng)元模型(15)的放電數(shù)據(jù)，并將得到的電導(dǎo)值輸入到動(dòng)態(tài)鉗位控制器(14)中；動(dòng)態(tài)鉗位控制器(14)根據(jù)輸入的電導(dǎo)值和上位機(jī)給點(diǎn)參數(shù)計(jì)算得到適當(dāng)?shù)拇碳る娏鞑⑹┘拥缴窠?jīng)元模型(15)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)元模型(15)放電的控制。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的閉環(huán)電生理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其特征是:所述的突觸電流實(shí)驗(yàn)?zāi)K(16)包括有神經(jīng)元模型I (18)、神經(jīng)元模型II (19)和神經(jīng)元模型III (21)，所述神經(jīng)元模型I (18)與神經(jīng)元模型II (19)之間、神經(jīng)元模型II (19)與神經(jīng)元模型III (21)之間分別以完全相同的模擬突觸連接方式(20)連接，將神經(jīng)元模型I (18)的輸出作為輸入信號(hào)施加到神經(jīng)元模型II (19)，將神經(jīng)元模型II (19)的輸出作為輸入信號(hào)施加到神經(jīng)元模型III (20)，同時(shí)，由上位機(jī)對(duì)神經(jīng)元模型I (18)和神經(jīng)元模型III (20)施加相同的外加刺激信號(hào)(17)，將神經(jīng)元模型I (18)和神經(jīng)元模型III (20)的放電結(jié)果由數(shù)據(jù)總線(5)輸出到FPGA芯片(3)的輸出端。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的閉環(huán)電生理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其特征是:所述的波形鉗位實(shí)驗(yàn)?zāi)K(22)包括有刺激類型選擇模塊(23)、波形鉗位控制器(26)、神經(jīng)元模型(27)及無(wú)跡卡爾曼濾波器(11)，所述刺激類型選擇模塊(23)與數(shù)據(jù)總線(5)相連，產(chǎn)生輸入電壓波形(25);波形鉗位控制器(26)對(duì)神經(jīng)元模型(27)進(jìn)行調(diào)制，刺激類型選擇模塊(23)與乘法器(24)連接，通過(guò)數(shù)據(jù)總線(5)傳來(lái)的上位機(jī)(I)信號(hào)生成輸入電壓波形(25)作為給定電壓信號(hào)，施加到神經(jīng)元模型(27)中，利用波形鉗位控制器(26)對(duì)神經(jīng)元模型(27)進(jìn)行控制，使神經(jīng)元模型(27)跟隨給定電壓放電。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的閉環(huán)電生理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其特征是:所述的響應(yīng)鉗位實(shí)驗(yàn)?zāi)K(32)包括有響應(yīng)鉗位控制器(29)、神經(jīng)元模型(30)及頻率估計(jì)模塊(31)，響應(yīng)鉗位控制器(29)連接到數(shù)據(jù)總線(5)并對(duì)神經(jīng)元模型(30)進(jìn)行控制，頻率估計(jì)模塊(31)接收神經(jīng)元放電數(shù)據(jù)并將估計(jì)結(jié)果經(jīng)數(shù)據(jù)總線(5)輸出到數(shù)據(jù)采集卡(2)輸入端，頻率估計(jì)模塊(31)對(duì)神經(jīng)元模型(30)的放電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，估計(jì)得到放電頻率，響應(yīng)鉗位控制器(29)根據(jù)估計(jì)結(jié)果與上位機(jī)(I)給定放電頻率(28)比較得到的誤差，對(duì)神經(jīng)元模型(30)進(jìn)行控制，使神經(jīng)元模型(30)按照給定的頻率進(jìn)行放電。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于FPGA的閉環(huán)電生理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用FPGA芯片結(jié)合D/A轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)建一種高精度的虛擬神經(jīng)元并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)電生理實(shí)驗(yàn)，該虛擬神經(jīng)元反映真實(shí)神經(jīng)元的生理特性，在電生理實(shí)驗(yàn)研究中代替真實(shí)神經(jīng)元；所述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括有相互連接的上位機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡和FPGA芯片。本發(fā)明效果是該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)虛擬神經(jīng)元與真實(shí)神經(jīng)元之間的切換，同時(shí)在快速性、魯棒性及能量消耗等指標(biāo)上均具有一定的優(yōu)勢(shì)?？蔀閷⒁_(kāi)展的電生理實(shí)驗(yàn)以及神經(jīng)元閉環(huán)控制等實(shí)驗(yàn)提供一個(gè)真實(shí)可靠的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，且無(wú)需考慮活體實(shí)驗(yàn)的局限性和倫理問(wèn)題，為研究神經(jīng)元電活動(dòng)和電生理實(shí)驗(yàn)提供便利。
【IPC分類】G05B17/02
【公開(kāi)號(hào)】CN105182794
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510496792
【發(fā)明人】鄧斌, 李鴻基, 楊雙鳴, 蘇斐, 魏熙樂(lè), 于海濤, 張鎮(zhèn), 王江
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年12月23日
【申請(qǐng)日】2015年8月12日