[发明专利]基于FPGA的电子突触实验平台

说明书

本发明提供了一种基于FPGA的电子突触实验平台，包括计算机，计算机分别与四个FPGA信号连接，与第二FPGA和第三FPGA既与第一FPGA信号连接也与第四FPGA信号连接，该四个FPGA均与数模转换器相连，数模转换器与示波器相连接；第一FPGA作为1号电子神经元产生动作电位；第二FPGA产生兴奋性突触电流；第三FPGA产生抑制性突触电流；第四FPGA作为2号电子神经元，不施加任何外界刺激，刺激来自于突触电流。该实验平台可以观察在不同耦合强度下，神经信息传递的异同；不同类型突触即抑制性和兴奋性化学突触分别对信息传递的作用，以及两种类型化学突触共同作用下对信息传递的影响。

技术领域

本发明属于生物医学工程技术领域，涉及一种模仿电子突触的实验平台，特别涉及一种基于FPGA的电子突触的实验平台。

背景技术

1894年，英国著名的生理学家Charles Sherrington首次提出了“突触”的概念。在生物神经系统中，大量神经元由突触相互连接形成神经网络。突触的关键作用是处理和传递神经元之间的信息。我国著名生理学家冯德培教授对突触的作用有一段阐述，即“在整个神经生物学中，突触及其有关的研究可以说是占据中心地位。因为神经系统基本上是信息加工系统，而信息加工要求神经元与神经元对话，这是通过突触进行的”。学者们通过生物实验探索了电脉冲在化学突触传递的过程和化学突触的生理特性，建立了基于不同机理的化学突触数学模型。1992年，Hansel等人在研究混沌神经网络同步过程中提出了一种最简单的刻画神经元化学突触的数学模型；1996年，Sharp等人基于神经递质在突触缝隙中释放和在后突触神经元内的吸收特点，提出了一种化学突触数学模型；1996年，Xiao-Jing Wang等人研究海马神经元突触抑制网络模型的γ振荡机理时提出了一种化学突触模型；1997年，Rabinovich等人考虑到突触延迟和神经元的兴奋与抑制之后，建立了具有时间滞后的突触数学模型；2007年，Leonid提出了突触传递的一种复杂的动力学模型。

硬件实现生物神经系统在计算神经科学领域一直是一个研究热点1989年，CarverMead等构建模拟电路，实现了神经元网络模型；2009年，Theodore Yu等在一个模拟VLSI硅芯片上实现了四个耦合HH神经元网络的生物物理突触动力学模型；2010年，Theodore Yu等提出了4个神经元和12个基于电导的突触的模拟VLSI网络，并实现了生物物理膜动力学和详细的通道动力学的硅模型；2011年，Marko Noack等基于来自于神经递质释放的量子模型的电路分析方法提出了一种更具有生物实际的VLSI实现了突触动力学机制；2015年，Pradyumna S. G.等采用CMOS工艺实现了具有不同神经递质浓度、摄取时间和传播延迟的抑制性突触；2016年，Sadia Alam等提出了基于生物分子水平的化学突触过程的VLSI电路仿真。

近年来，较之模拟电路实现方式的耗费大、耗时长等缺点，现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array），即FPGA具有并行处理方式的特点，同时兼有开发周期短、集成度高、计算速度快、可重复配置、低成本等优势。因此，利用FPGA实现生物神经元、神经突触以及神经网络方面有很广阔的应用前景，并且对于仿生学、人工智能、神经疾病治疗等方面有很大的应用价值。

现有技术还处于基础阶段，因此仍存在以下缺点：1）尚无基于FPGA的专用电子突触实验平台；2）可以代替生物神经突触连接的动物实验的电子突触实验平台未运用到实际中。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于FPGA的电子突触的实验平台，可以观察到在不同耦合强度下，神经信息传递的异同，不同类型突触即抑制性和兴奋性化学突触分别对信息传递的作用，以及两种类型化学突触共同作用下对信息传递的影响。