[发明专利]一种基于Hodgkin-Huxley模型的心脏浦肯野纤维忆阻微扰电路设计方法

说明书

一种基于Hodgkin‑Huxley模型的心脏浦肯野纤维忆阻微扰电路设计方法，按如下步骤：(S1)构建心脏Hodgkin‑Huxley浦肯野纤维模型的基本RC电路；(S2)建立包含一级忆阻器R_K、二级忆阻器R_Na的忆阻电路模型；(S3)设计钾离子通道在平衡点Q_K的微扰等效的LC忆阻电路；(S4)设计钠离子通道在平衡点Q_Na的微扰等效的LC忆阻电路；(S5)心脏Hodgkin‑Huxley模型中离子通道在平衡点Q的微扰等效忆阻电路设计。本发明分析Hodgkin‑Huxley模型的心脏浦肯野纤维忆阻特性，通过电路设计神经元仿生记忆功能，扩展了人工神经网络在非线性动力学领域应用，对智能信息处理及复杂网络控制的发展具有科学意义和应用价值。

技术领域

本发明属于细胞神经网络领域，它主要研究心脏浦肯野纤维忆阻特性，具体是细胞触突中的钾离子、钠离子忆阻现象存在性及相应电路设计。

背景技术

20世纪50年代，英国生理学家霍奇金(Hodgkin)和赫胥黎(Huxley)在生物神经传导方面进行了深入而富有成果的实验，他们利用电压钳技术获得了巨大乌贼触突电生理活动的大量实验数据，建立了神经元薄膜激发的数学模型，并给出了不同电压下的离子电流量化公式，即著名的Hodgkin-Huxley模型。该模型成功地再现和预测了某些动物神经纤维的电活动，理论分析与巨大乌贼触突中的脉冲传播基本吻合。

在动物神经组织中，心肌细胞与静息电位和活动电位(也称为跨膜电位)的变化有关。研究心脏心肌电生理对进一步了解心肌的生理特性具有重要意义。心肌细胞中含有丰富肌原纤维的工作细胞，它具有收缩功能，称为工作细胞。它属于非自治细胞，不能产生活性，但具有兴奋性和传导能力，包括心房肌细胞和心室肌细胞。另外心脏神经中还具有产生节律性兴奋的能力被称为起搏器的细胞，浦肯野(Purkinje)细胞就属于这种可以产生节律收缩功能，以自发放电的速度跳动，对控制心律的活动起着重要作用。在人体中特殊的心肌传导系统包括窦房结、房室结、房室束和浦肯野纤维，图1为人体心脏结构，其中浦肯野纤维分布在心室内膜末端。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于Hodgkin-Huxley模型的心脏浦肯野纤维忆阻微扰电路设计方法，分析心脏浦肯野纤维细胞与脑神经有相类似的记忆功能，以心脏Hodgkin-Huxley模型为研究对象，分析了钾离子通道和钠离子通道中弱记忆特性的存在性，并分别设计了在平衡点时小信号的微扰下心脏Hodgkin-Huxley模型忆阻电路，通过理论推导与计算完成相关电子元器件参数设置。

本发明通过以下技术方案予以实现的。

本发明所述的一种基于Hodgkin-Huxley模型的心脏浦肯野纤维忆阻微扰电路设计方法，按如下步骤：

(S1)：构建心脏Hodgkin-Huxley浦肯野纤维模型的基本RC电路；

心脏Hodgkin-Huxley浦肯野纤维模型描述为：

其中I_K为钾离子电流，I_Na为钠离子电流，I_An为氯离子电流，I_m为外刺激电流，C_m为跨膜电容，E_m为膜电位，t为时间变量；以基本的电阻与电容元器件构建该模型的模拟电路。

(S2)：建立包含一级忆阻器R_K、二级忆阻器R_Na的忆阻电路模型：

将(S1)中Hodgkin-Huxley模型RC电路中的和位置用一级忆阻器R_K替换、g_Na位置用二级忆阻器R_Na替换，建立包含一级忆阻器R_K、二级忆阻器R_Na的忆阻Hodgkin-Huxley电路模型。