[發(fā)明專(zhuān)利]神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)信號(hào)裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510377072.2
• 申請(qǐng)日: 2015-07-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105159067A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-12-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬軍;王春妮;任國(guó)棟
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 蘭州理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G05B13/04
• 分類(lèi)號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 福州市景弘專(zhuān)利代理事務(wù)所(普通合伙) 35219
• 代理人: 顧克帥;林祥翔

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及神經(jīng)元領(lǐng)域，尤涉及神經(jīng)元信號(hào)檢測(cè)技術(shù)。

背景技術(shù)

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(dāng)?shù)捻憫?yīng)行為。由于興奮在神經(jīng)元之間的傳遞是單向的，導(dǎo)致興奮在完整反射弧中的傳導(dǎo)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魅牒土鞒錾窠?jīng)元的跨膜離子電流產(chǎn)生響應(yīng)，從而表現(xiàn)出神經(jīng)元膜電位的放電動(dòng)作，如靜息，spiking放電，bursting放電或者混沌放電等。當(dāng)神經(jīng)元的跨膜離子電流較低時(shí)，神經(jīng)元的膜電位動(dòng)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(dòng)作表現(xiàn)為spiking放電，bursting放電或者混沌放電。

20世紀(jì)80年代初期，美國(guó)加州技術(shù)學(xué)院的生物物理學(xué)家JohnJ.Hopfield博士發(fā)表了一篇重要的論文。文中動(dòng)力學(xué)模型被用于全連接的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。并用集成電路硬件實(shí)現(xiàn)了這個(gè)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。因?yàn)樗墓ぷ鳎瑸槠渌I(lǐng)域使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決實(shí)際問(wèn)題提供了可靠依據(jù)。但這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單元已不需要是神經(jīng)元，它完全可以是一個(gè)電子元件或電子線(xiàn)路，因而被稱(chēng)為是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。Hopfield博士的工作使人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和研究進(jìn)入一個(gè)新的高潮。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是采用物理可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)來(lái)模仿人工神經(jīng)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能的系統(tǒng)。二十世紀(jì)九十年代初，Eckhorn提出了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，這些生物模型是耦合神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)連接方式的模型基礎(chǔ)。在模型中，神經(jīng)元通過(guò)相互耦合激勵(lì)產(chǎn)生同步化，神經(jīng)元對(duì)于相似的輸入數(shù)據(jù)能夠同步爆發(fā)，對(duì)于上述的生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型稍加改進(jìn)，可構(gòu)成不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的如小世界，無(wú)標(biāo)度或者規(guī)則連接下的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)元耦合系統(tǒng)是一個(gè)新興的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域，耦合振蕩及同步是非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)的一個(gè)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(lái)，耦合神經(jīng)元系統(tǒng)的同步和去同步問(wèn)題是研究腦信息處理的關(guān)鍵，在國(guó)外Bazhenovt等研究了鏈?zhǔn)揭种菩曰瘜W(xué)突觸耦合混沌行為；國(guó)內(nèi)石霞等研究了具有環(huán)式結(jié)構(gòu)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(dòng)力學(xué)》中研究了對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的耦合神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)同步的充分條件；杜艷海等研究了N個(gè)最近鄰耦合網(wǎng)絡(luò)耦合的FitzHugh-Nagumo的同步振蕩等；本案發(fā)明人也在發(fā)表在CommunNonlinearSciNumerSimulat的論文《對(duì)耦合神經(jīng)元電路檢測(cè)噪聲的影響》(Detectionofnoiseeffectoncoupledneuronalcircuits)中對(duì)噪聲對(duì)耦合神經(jīng)元同步產(chǎn)生的影響進(jìn)行了研究。

而在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對(duì)于患有神經(jīng)或精神疾病(如帕金森病、原發(fā)性震顫、張力失常或強(qiáng)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(xì)胞群(Nervenzellenverbaende)病態(tài)地活躍，這樣過(guò)于同步化會(huì)加重病癥，因此需要研究神經(jīng)元同步的機(jī)理及抑制同步的發(fā)生。

傳統(tǒng)微弱信號(hào)檢測(cè)電路是采用傳感器+放大器的結(jié)構(gòu)，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(xiàn)性度。如硬盤(pán)數(shù)據(jù)的讀出放大器。通常，噪聲會(huì)降低信號(hào)的信噪比，影響了有用信息的提取。在某些非線(xiàn)性系統(tǒng)給中，噪聲是能夠增強(qiáng)微弱信號(hào)的檢測(cè)能力的，這稱(chēng)為隨機(jī)共振現(xiàn)象。梁曉冰等人在《物理學(xué)報(bào)》2009年第7期發(fā)表的《弱信號(hào)在Hodgkin-Huxley神經(jīng)元單向耦合系統(tǒng)中的傳輸特性》利用隨機(jī)共振檢測(cè)微弱信號(hào)的系統(tǒng),見(jiàn)圖1，即通過(guò)調(diào)制外界噪聲強(qiáng)度到合適值達(dá)到隨機(jī)共振態(tài)，使得信號(hào)輸出的信噪比達(dá)到最大，達(dá)到弱信號(hào)檢測(cè)的目的。這種方案需要利用噪聲誘發(fā)隨機(jī)共振，通過(guò)檢測(cè)信噪比來(lái)判斷是否有信號(hào)輸出，由于隨機(jī)共振是人為不可控的，同時(shí)信噪比的判斷也會(huì)出現(xiàn)失誤，因此這種方案也有較大的不足。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)信號(hào)的裝置。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)信號(hào)裝置，包括至少兩個(gè)耦合的神經(jīng)元，每個(gè)神經(jīng)元連接一個(gè)傳輸出直流電信號(hào)的傳感器，耦合的神經(jīng)元輸出端連接一個(gè)同步判斷裝置。

所述的神經(jīng)元還連接一個(gè)噪聲發(fā)生器。

所述的神經(jīng)元為雙向耦合。

采用了上述方案后，利用傳感器將物理或生物等信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電信號(hào)，作用到相互耦合的神經(jīng)元或類(lèi)神經(jīng)元電路中，當(dāng)耦合強(qiáng)度達(dá)到一定值后，神經(jīng)元或類(lèi)神經(jīng)元電路網(wǎng)絡(luò)的放電行為也將達(dá)到同步，同步判斷裝置可以檢測(cè)到該種電路的輸出電壓或電流響應(yīng)。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有檢測(cè)信號(hào)裝置結(jié)構(gòu)原理圖；

圖2為本發(fā)明神經(jīng)元耦合結(jié)構(gòu)示意圖；