[发明专利]一种模拟实现简化Hodgkin-Huxley神经元模型的电路

说明书

本发明公开了一种模拟实现简化Hodgkin‑Huxley神经元模型的电路，包括第一指数函数电路单元、第二指数函数电路单元、第三指数函数电路单元、第四指数函数电路单元、第五指数函数电路单元、第六指数函数电路单元、第一比例积分电路单元、第二比例积分电路单元、第三比例积分电路单元和第四比例积分电路单元。相对于现有技术，本发明提出一种模拟实现简化Hodgkin‑Huxley神经元模型的电路，基于简化的Hodgkin‑Huxley神经元模型的数学表达式，采用普通的模拟电子器件，巧妙的设计电路，使其能够完美的呈现数学表达式中的非线性运算关系，进而使得电路输出能够精确模拟简化Hodgkin‑Huxley神经元模型的动力学行为。

技术领域

本发明属于神经元电路模拟技术领域，特别涉及一种模拟实现简化Hodgkin-Huxley神经元模型的电路。

背景技术

神经元是神经系统的基本单位，哺乳类动物神经系统中神经元数量能达到数十亿。神经元能够通过发放电信号，并使得电信号在不同的神经元之间传递，从而实现对信息的接收、发送、处理等，以此来使本体感受外界环境变化，或者传递大脑发送的信号指令，以实现与外界环境的交互。为了深入的研究神经系统的工作机制，相关学者建立了多种数学模型来描述神经元的放电动力学行为，如Hodgkin-Huxley模型、FitzHugh-Naguma模型、Hindmarsh-Rose模型、Morris-Lecar模型等。通过研究神经元模型在不同条件下动力学行为的变化，可以有效预测神经元放电活动，已有的研究表明，帕金森症、癫痫等疾病与神经系统的异常放电有直接关系，因此，对单个神经元、耦合神经元以及神经元网络动力学行为的研究能够为这些疾病的治疗提供潜在的理论支持，具有重要的意义。

采用生物学实验来探测神经元对不同外界环境的反应是最直接的研究方式，然而实际的生物学实验往往花费巨大而且实验周期很长，因此其并不是一种最理想的研究神经元动力学的方式；神经元模型一般由多个微分方程组成，随着神经元数量的增加，对神经元系统动力学行为分析的计算负担将大大增加，计算的实时性将不能得到保障，因此，基于神经元数学模型来研究神经元的动力学行为也受到了一定的限制；考虑到模拟电路具有造价便宜、易于集成、实时性好等优点，如通过电路来实现神经元模型，并模拟神经元的放电行为，将能够成功克服生物学实验的花费巨大、周期长等缺点，并能解决数值计算所存在的实时性问题。由于神经元模型尤其是基于电导的神经元模型数学模型复杂，如Hodgkin-Huxley模型，模型中的函数很难用现有的模拟器件来直接实现，因此，需要进一步的简化神经元模型，设计新颖的电路拓扑，来精确实现复杂的神经元模型。这些研究能够保障进一步的精确重现神经元的动力学行为，为研究神经元及神经系统的工作机制提供有力的工具，具有重要的理论意义和实际的应用价值。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供了一种模拟实现简化Hodgkin-Huxley神经元模型的电路。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

一种模拟实现简化Hodgkin-Huxley神经元模型的电路，包括第一指数函数电路单元、第二指数函数电路单元、第三指数函数电路单元、第四指数函数电路单元、第五指数函数电路单元、第六指数函数电路单元、第一比例积分电路单元、第二比例积分电路单元、第三比例积分电路单元和第四比例积分电路单元；其中，

所述第一指数函数电路单元、第三指数函数电路单元和第五指数函数电路单元均由反向运算模块、比例运算模块和指数运算模块组成；其中，第一指数函数电路单元包含输入端E1I和输出端E1O；第三指数函数电路单元包含输入端E3I和输出端E3O；第五指数函数电路单元包含输入端E5I和输出端E5O；

所述第二指数函数电路单元、第四指数函数电路单元和第六指数函数电路单元均由比例运算模块和指数运算模块组成；其中，第二指数函数电路单元包含输入端E2I和输出端E2O；第四指数函数电路单元包含输入端E4I和输出端E4O；第六指数函数电路单元包含输入端E6I和输出端E6O；