[發明專利]一種基于神經形態學的在體神經元建模方法

有效

• 申請號: 201910660107.1
• 申請日: 2019-07-22
• 公開（公告）號: CN110472733B
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發明（設計）人: 于海濤;孟紫寒;王江;鄧斌;魏熙樂;劉晨
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06N3/06
• 分類號: G06N3/06
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程毓英

本發明涉及一種基于神經形態學的在體神經元建模方法，包括：第一步、構建樹突單間室模型；第二步、構建多間室級聯模型：根據神經元樹突的具體形態特征，包括樹突的分布區域、分支數和拓撲結構，將N個節點對應的單間室線性?非線性系統按照相應節點的連接方式進行連接，建立起保持神經元樹突原有形態特征的多間室級聯模型，用來模擬神經元的完整樹突的特性。第三步、擬合在體神經元模型參數。

技術領域

本發明涉及神經元建模領域，特別是一種基于神經形態學的在體神經元建模方法。

背景技術

大腦中包含大量神經元，這些神經元相互連接，在信息處理和傳遞過程中起到了非常重要的作用，神經元可以接收信息，并通過放電的方式輸出信息。而神經元類型豐富，且均具有復雜的形態結構特征。神經元主要包括樹突、胞體、軸突和細胞膜四部分，其中，樹突作為神經元接收輸入信息的入口，具有復雜的形態結構，它可以同時接收來自其他神經元的大量突觸輸入，經過全面整合作用后，再將整合后的信號傳入胞體，從而產生神經元放電。樹突能夠對不同時空的突觸輸入信號加以整合，樹突對輸入信息的整合對胞體的膜電位起到決定性的作用，最終會影響到神經元放電，即影響信息的傳遞過程，因此，構建神經元模型是研究其相應外部刺激的基礎。

目前研究學者們已經建立了多種神經元模型，例如Hodgkin-Huxley模型、Izhikevich模型以及FitzHugh-Nagumo模型等，這些模型在一定程度上解決了許多科學問題，但是它們均忽略了神經元樹突的形態結構特征，應用此類神經元模型在研究神經元對信息整合作用的過程中，存在一定的弊端，因此，研究一種基于神經形態學的在體神經元模型具有重要意義。

發明內容

針對現有技術的不足之處，本發明擬解決的技術問題是，提出一種基于神經形態學的在體神經元建模方法，通過建立神經元樹突的單間室線性-非線性模型，根據神經元具體的樹突形態構建樹突整體的多間室級聯系統模型，最后結合神經元放電模型，利用針刺實驗中的輸入信號和輸出的放電信號，對神經元模型的參數進行擬合優化。本發明解決所述技術問題采用的關鍵技術方案是：

一種基于神經形態學的在體神經元建模方法，該方法的步驟是：

第一步、構建樹突單間室模型

將神經元的樹突劃分為N個節點，即將樹突簡化為由N個節點連接而成的級聯系統，用單間室的線性-非線性系統(X₁、X₂、……、X_N)模擬單個節點X_i的特性，單間室線性-非線性系統可對輸入信號依次進行濾波處理、線性疊加和非線性變換，其中濾波處理過程設定濾波閾值，線性疊加過程需要設定各個輸入刺激的權值分布，非線性變換過程需要設定膜電容、軸向電導、輸入阻抗、漏電流電導和納鉀鈣離子通道。

第二步、構建多間室級聯模型

根據神經元樹突的具體形態特征，包括樹突的分布區域、分支數和拓撲結構，將N個節點對應的單間室線性-非線性系統(X₁、X₂、……、X_N)按照相應節點的連接方式進行連接，建立起保持神經元樹突原有形態特征的多間室級聯模型，用來模擬神經元的完整樹突的特性。

第三步、擬合在體神經元模型參數

根據在體實驗所得的神經元突觸特征，包括突觸數目、興奮性抑制性分布、突觸電導、衰減速率、突觸與胞體的距離、突觸的空間聚集度、空間分散度、時間間隔和時序分布，設計突觸輸入模式，并將實驗所測得的突觸前神經元放電序列輸入至樹突的多間室級聯模型，經過處理后的信號傳輸至神經元胞體放電模型，輸出動作電位并與實驗所得的突觸后放電序列進行對比，擬合優化在體神經元模型的參數，最終得到一種在體神經元的模型。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：