神經(jīng)元網(wǎng)絡檢測信號裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及神經(jīng)元領域，尤涉及神經(jīng)元信號檢測技術。
【背景技術】
[0002] 在生物體內(nèi)廣泛存在的神經(jīng)元，神經(jīng)元是處理信息的基本單元，在不同外界刺激 下可做出適當?shù)捻憫袨?。由于興奮在神經(jīng)元之間的傳遞是單向的，導致興奮在完整反射 弧中的傳導也是單向的，只能由傳入神經(jīng)傳人，由傳出神經(jīng)傳出。神經(jīng)元能夠?qū)α魅牒土鞒?神經(jīng)元的跨膜離子電流產(chǎn)生響應，從而表現(xiàn)出神經(jīng)元膜電位的放電動作，如靜息，spiking 放電，bursting放電或者混純放電等。當神經(jīng)元的跨膜離子電流較低時，神經(jīng)元的膜電 位動作表現(xiàn)為靜息；在較大的神經(jīng)元跨膜離子電流作用下，神經(jīng)元的膜電位動作表現(xiàn)為 spiking放電，bursting放電或者混純放電。
[0003] 20世紀80年代初期，美國加州技術學院的生物物理學家John J. Hopfield博士 發(fā)表了一篇重要的論文。文中動力學模型被用于全連接的神經(jīng)網(wǎng)絡。并用集成電路硬件實 現(xiàn)了這個動力學系統(tǒng)。因為他的工作，為其它領域使用神經(jīng)網(wǎng)絡解決實際問題提供了可靠 依據(jù)。但這種神經(jīng)網(wǎng)絡的基本單元已不需要是神經(jīng)元，它完全可以是一個電子元件或電子 線路，因而被稱為是人工神經(jīng)網(wǎng)絡。Hopfield博士的工作使人工神經(jīng)網(wǎng)絡的出現(xiàn)和研究進 入一個新的高潮。人工神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)是采用物理可實現(xiàn)的系統(tǒng)來模仿人工神經(jīng)細胞的結構 和功能的系統(tǒng)。二十世紀九十年代初，Eckhorn提出了一種神經(jīng)網(wǎng)絡模型，這些生物模型是 耦合神經(jīng)元網(wǎng)絡連接方式的模型基礎。在模型中，神經(jīng)元通過相互耦合激勵產(chǎn)生同步化，神 經(jīng)元對于相似的輸入數(shù)據(jù)能夠同步爆發(fā)，對于上述的生物神經(jīng)網(wǎng)絡模型稍加改進，可構成 不同拓撲結構的如小世界，無標度或者規(guī)則連接下的神經(jīng)元網(wǎng)絡。神經(jīng)元耦合系統(tǒng)是一個 新興的非線性動力學研究領域，耦合振蕩及同步是非線性動力學的一個基本現(xiàn)象。它發(fā)生 在許多物理、通信、生態(tài)和神經(jīng)系統(tǒng)中并且在振蕩的集體行為扮演重要的角色。特別是近年 來，親合神經(jīng)元系統(tǒng)的同步和去同步問題是研究腦信息處理的關鍵，在國外Bazhenovt等 研究了鏈式抑制性化學突觸耦合混沌行為；國內(nèi)石霞等研究了具有環(huán)式結構的電耦合同步 模式；王青云等在《神經(jīng)元耦合系統(tǒng)的同步動力學》中研究了對稱結構的耦合神經(jīng)元網(wǎng)絡同 步的充分條件；杜艷海等研究了 N個最近鄰親合網(wǎng)絡親合的FitzHugh-Nagumo的同步振蕩 等；本案發(fā)明人也在發(fā)表在Commun Nonlinear Sci Numer Simulat的論文《對親合神經(jīng)元 電路檢測噪聲的影響》（Detection of noise effect on coupled neuronal circuits)中 對噪聲對耦合神經(jīng)元同步產(chǎn)生的影響進行了研究。
[0004] 而在醫(yī)學領域，對于患有神經(jīng)或精神疾?。ㄈ缗两鹕　⒃l(fā)性震顫、張力 失常或強迫癥）的患者，腦局部化區(qū)域（例如丘腦和基底神經(jīng)節(jié)）內(nèi)的神經(jīng)細胞群 (Nervenzellenverbaende)病態(tài)地活躍，這樣過于同步化會加重病癥，因此需要研究神經(jīng)元 同步的機理及抑制同步的發(fā)生。
[0005] 傳統(tǒng)微弱信號檢測電路是采用傳感器+放大器的結構，其中放大器要求是高精度 的靈敏放大器，即足夠的增益、低的輸入失調(diào)且良好的線性度。如硬盤數(shù)據(jù)的讀出放大器。 通常，噪聲會降低信號的信噪比，影響了有用信息的提取。在某些非線性系統(tǒng)給中，噪聲是 能夠增強微弱信號的檢測能力的，這稱為隨機共振現(xiàn)象。梁曉冰等人在《物理學報》2009年 第7期發(fā)表的《弱信號在Hodgkin-Huxley神經(jīng)元單向耦合系統(tǒng)中的傳輸特性》利用隨機共 振檢測微弱信號的系統(tǒng)，見圖1，即通過調(diào)制外界噪聲強度到合適值達到隨機共振態(tài)，使 得信號輸出的信噪比達到最大，達到弱信號檢測的目的。這種方案需要利用噪聲誘發(fā)隨機 共振，通過檢測信噪比來判斷是否有信號輸出，由于隨機共振是人為不可控的，同時信噪比 的判斷也會出現(xiàn)失誤，因此這種方案也有較大的不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供神經(jīng)元網(wǎng)絡檢測信號的裝置。
[0007] 為達到上述目的，本發(fā)明神經(jīng)元網(wǎng)絡檢測信號裝置，包括至少兩個耦合的神經(jīng)元， 每個神經(jīng)元連接一個傳輸出直流電信號的傳感器，耦合的神經(jīng)元輸出端連接一個同步判斷 裝置。
[0008] 所述的神經(jīng)元還連接一個噪聲發(fā)生器。
[0009] 所述的神經(jīng)元為雙向耦合。
[0010] 采用了上述方案后，利用傳感器將物理或生物等信號轉(zhuǎn)換為直流電信號，作用到 相互耦合的神經(jīng)元或類神經(jīng)元電路中，當耦合強度達到一定值后，神經(jīng)元或類神經(jīng)元電路 網(wǎng)絡的放電行為也將達到同步，同步判斷裝置可以檢測到該種電路的輸出電壓或電流響 應。
【附圖說明】
[0011] 圖1為現(xiàn)有檢測信號裝置結構原理圖；
[0012] 圖2為本發(fā)明神經(jīng)元耦合結構示意圖；
[0013] 圖3為本發(fā)明神經(jīng)元耦合實驗結果電流曲線圖；
[0014] 圖4為本發(fā)明神經(jīng)元網(wǎng)絡電路結構圖；
[0015] 圖5為本發(fā)明結構示意圖。
【具體實施方式】
[0016] 為詳細說明本發(fā)明的技術內(nèi)容、構造特征、所實現(xiàn)目的及效果，以下結合實施方式 并配合附圖詳予說明。
[0017] 神經(jīng)元之間通過相互耦合構成神經(jīng)元網(wǎng)絡。在神經(jīng)元之間的耦合強度較低而且跨 膜離子電流較弱時神經(jīng)元網(wǎng)絡的放電行為是非同步的。當神經(jīng)元的跨膜離子電流達到一定 閾值后，神經(jīng)元網(wǎng)絡的放電行為將達到同步；或者神經(jīng)元之間的耦合強度達到一定閾值后， 神經(jīng)元網(wǎng)絡的放電行為也將達到同步。
[0018] 如圖2所示，為神經(jīng)元耦合的結構，左圖為單向耦合神經(jīng)元，左圖為雙向耦合神經(jīng) 元，
[0019]
[0020]
[0021]
[0022]
[0023]
[0024]
[0025] 表達式中，D是親合強度，ξ是噪聲。
[0026] 圖4是對神經(jīng)元Nl雙向耦合時耦合電路（表達式中D項）的示意圖。單向耦合 時，對于神經(jīng)元Nl的耦合電路中沒有121這個支路。神經(jīng)元的同步機制可以理解為神經(jīng)元 之間相互作用，協(xié)調(diào)的結果，當耦合強度增大時意味著這種相互作用增強，所以容易達到同 步；刺激電流Iext大了，和噪聲的作用類似，超過一個閾值則同步。
[0027] 在實驗中，在刺激電流 Iext(DOO-Ol) =96uA，Iext(DlO-Il) =97uA，Iext(D20-21)= 78uA作用下，雙向耦合強度等于0. 5時恰好同步；如圖3所示，左圖和右圖中上方曲線表示 神經(jīng)元Nl的動作響應；左圖中的下方曲線表示神經(jīng)元N2的動作響應；右圖中的下方曲線 表示神經(jīng)元N3的動作響應。實驗發(fā)現(xiàn)，當雙向耦合強度減小時神經(jīng)元將不再同步；但是增 大雙向耦合強度對同步的神經(jīng)元同步?jīng)]有影響。實驗發(fā)現(xiàn)，雙向耦合神經(jīng)元同步所需的耦 合強度比單向耦合的要求要?。患措p向耦合的神經(jīng)元更容易同步。
[0028] 如圖5所示，采用最簡單的兩個神經(jīng)元耦合網(wǎng)絡，其中Nl和N2表示神經(jīng)元電路或 類神經(jīng)元電路，couple表示神經(jīng)元之間的親合作用，Sl和S2表示傳感器，noise表示噪聲發(fā) 生器，synchronization detector表示同步判斷裝置。系統(tǒng)的工作原理如下：傳感器Sl和 S2將外界信號轉(zhuǎn)換為直流電信號（該技術為公知技術，不是本案要表述的重點）分別作用 于神經(jīng)元Nl和N2,神經(jīng)元Sl和S2的輸出信號是振蕩信號。在親合單元couple的作用下，當 傳感器的電信號達到足夠強度時，神經(jīng)元Sl和S2的輸出振蕩信號必將達到同步。否則，神 經(jīng)元Sl和S2的輸出振蕩信號可能為異步。利用同步判斷裝置synchronization detector 可以判斷神經(jīng)元SI和S2的信號是否達到同步并且輸出判斷結果。當synchronization detector輸出同步的判斷結果，則可以認為系統(tǒng)檢測到外界信號。
[0029] 在神經(jīng)元中加入noise噪聲發(fā)生器產(chǎn)生的噪聲或提高couple親合作用的親合強 度可以提高系統(tǒng)檢測外界信號的靈敏度，噪聲作用可以理解為輸入的能量水平高了，神經(jīng) 元之間相互作用可以施加更多的能量，所以容易達到同步；反過來，由于有了噪聲作用，對 同步所需的電信號強度以及耦合強度的閾值要求降低，可以檢測到強度更弱的電信號。
[0030] 作用到通過親合電路couple聯(lián)系的神經(jīng)電路Nl和N2。調(diào)節(jié)親合強度到恰當值， 電信號的強度達到一定閾值的時候，神經(jīng)電路的輸出將達到同步。此時，可以認為系統(tǒng)檢測 到了外界信號。
[0031] 這種方法利用傳感器將物理或生物等信號轉(zhuǎn)換為直流電信號，作用到神經(jīng)元或類 神經(jīng)元電路中，可以得到該種電路的輸出電壓或電流響應。當傳感器轉(zhuǎn)換的電信號是微弱 電壓或電流時，神經(jīng)元或類神經(jīng)元電路的輸出響應為靜息；在傳感器轉(zhuǎn)換的電信號超過一 定的閾值時，這種輸出響應表現(xiàn)為諸如spiking放電，bursting放電或者混純放電。
[0032] 現(xiàn)有的信號檢測方法一種需要設計高精度的靈敏放大器，檢測電路的輸出是電壓 或電流等信號的幅值；另一種則是需要利用噪聲引起隨機共振，通過檢測信噪比來判斷是 否有信號輸出。本發(fā)明只要設計耦合的神經(jīng)元網(wǎng)絡，通過調(diào)整耦合神經(jīng)元的耦合強度，當直 流電信號達到一定的閥值就可達成同步而不是隨機共振，增加噪聲的作用只是為提供能量 使同步發(fā)生條件更低。
[0033] 以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā) 明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技 術領域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。
【主權項】
1. 神經(jīng)元網(wǎng)絡檢測信號裝置，其特征在于：包括至少兩個耦合的神經(jīng)元，每個神經(jīng)元 連接一個傳輸出直流電信號的傳感器，耦合的神經(jīng)元輸出端連接一個同步判斷裝置。2. 如權利要求1所述的神經(jīng)元網(wǎng)絡檢測信號裝置，其特征在于：所述的神經(jīng)元還連接 一個噪聲發(fā)生器。3. 如權利要求1所述的神經(jīng)元網(wǎng)絡檢測信號裝置，其特征在于：所述的神經(jīng)元為雙向 耦合。
【專利摘要】本發(fā)明公開神經(jīng)元網(wǎng)絡檢測信號裝置，包括至少兩個耦合的神經(jīng)元，每個神經(jīng)元連接一個傳輸出直流電信號的傳感器，耦合的神經(jīng)元輸出端連接一個同步判斷裝置；采用了上述方案后，利用傳感器將物理或生物等信號轉(zhuǎn)換為直流電信號，作用到相互耦合的神經(jīng)元或類神經(jīng)元電路中，當耦合強度達到一定值后，神經(jīng)元或類神經(jīng)元電路網(wǎng)絡的放電行為也將達到同步，同步判斷裝置可以檢測到該種電路的輸出電壓或電流響應。
【IPC分類】G05B13/04
【公開號】CN105159067
【申請?zhí)枴緾N201510377072
【發(fā)明人】馬軍, 王春妮, 任國棟
【申請人】蘭州理工大學
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年7月1日