神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)檢測信號裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型設(shè)及神經(jīng)元領(lǐng)域，尤設(shè)及神經(jīng)元信號檢測技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 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?神經(jīng)元的跨膜離子電流產(chǎn)生響應(yīng)，從而表現(xiàn)出神經(jīng)元膜電位的放電動作，如靜息，spring 放電，bursting放電或者混濁放電等。當(dāng)神經(jīng)元的跨膜離子電流較低時，神經(jīng)元的膜電 位動作表現(xiàn)為靜息；在較大的神經(jīng)元跨膜離子電流作用下，神經(jīng)元的膜電位動作表現(xiàn)為 spiking放電，bursting放電或者混濁放電。
[0003] 20世紀(jì)80年代初期，美國加州技術(shù)學(xué)院的生物物理學(xué)家化hn J.化Pfield博± 發(fā)表了一篇重要的論文。文中動力學(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 現(xiàn)了運(yùn)個動力學(xué)系統(tǒng)。因為他的工作，為其它領(lǐng)域使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決實際問題提供了可靠 依據(jù)。但運(yùn)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W是一個電子元件或電子 線路，因而被稱為是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)?；疨field博±的工作使人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和研究進(jìn) 入一個新的高潮。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是采用物理可實現(xiàn)的系統(tǒng)來模仿人工神經(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，Ec化orn提出了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，運(yùn)些生物模型是 禪合神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)連接方式的模型基礎(chǔ)。在模型中，神經(jīng)元通過相互禪合激勵產(chǎn)生同步化，神 經(jīng)元對于相似的輸入數(shù)據(jù)能夠同步爆發(fā)，對于上述的生物神經(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，無標(biāo)度或者規(guī)則連接下的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)元禪合系統(tǒng)是一個 新興的非線性動力學(xué)研究領(lǐng)域，禪合振蕩及同步是非線性動力學(xué)的一個基本現(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，禪合神經(jīng)元系統(tǒng)的同步和去同步問題是研究腦信息處理的關(guān)鍵，在國外Bazhenovt等 研究了鏈?zhǔn)揭种菩曰瘜W(xué)突觸禪合混濁行為；國內(nèi)石霞等研究了具有環(huán)式結(jié)構(gòu)的電禪合同步 模式；王青云等在《神經(jīng)元禪合系統(tǒng)的同步動力學(xué)》中研究了對稱結(jié)構(gòu)的禪合神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)同 步的充分條件；杜艷海等研究了 N個最近鄰禪合網(wǎng)絡(luò)禪合的Fitz化曲-Nagumo的同步振蕩 等；本案發(fā)明人也在發(fā)表在Commun Nonlinear Sci Numer Simulat的論文《對禪合神經(jīng)元 電路檢測噪聲的影響》（Detection of noise effect on coupled neuronal circuits)中 對噪聲對禪合神經(jīng)元同步產(chǎn)生的影響進(jìn)行了研究。
[0004] 而在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對于患有神經(jīng)或精神疾?。ㄈ缗两鹕　⒃l(fā)性震顫、張力 失?；驈?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 (化rvenzellenverbaende)病態(tài)地活躍，運(yùn)樣過于同步化會加重病癥，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。 陽〇化]傳統(tǒng)微弱信號檢測電路是采用傳感器+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)且良好的線性度。如硬盤數(shù)據(jù)的讀出放大器。 通常，噪聲會降低信號的信噪比，影響了有用信息的提取。在某些非線性系統(tǒng)給中，噪聲是 能夠增強(qiáng)微弱信號的檢測能力的，運(yùn)稱為隨機(jī)共振現(xiàn)象。梁曉冰等人在《物理學(xué)報》2009年 第7期發(fā)表的《弱信號在化d址in-Huxley神經(jīng)元單向禪合系統(tǒng)中的傳輸特性》利用隨機(jī)共 振檢測微弱信號的系統(tǒng)，見圖1，即通過調(diào)制外界噪聲強(qiáng)度到合適值達(dá)到隨機(jī)共振態(tài)，使 得信號輸出的信噪比達(dá)到最大，達(dá)到弱信號檢測的目的。運(yùn)種方案需要利用噪聲誘發(fā)隨機(jī) 共振，通過檢測信噪比來判斷是否有信號輸出，由于隨機(jī)共振是人為不可控的，同時信噪比 的判斷也會出現(xiàn)失誤，因此運(yùn)種方案也有較大的不足。 【實用新型內(nèi)容】
[0006] 本實用新型的目的在于提供神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)檢測信號的裝置。
[0007] 為達(dá)到上述目的，本實用新型神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)檢測信號裝置，包括至少兩個禪合的神 經(jīng)元，每個神經(jīng)元連接一個傳輸出直流電信號的傳感器，禪合的神經(jīng)元輸出端連接一個同 步判斷裝置。
[0008] 所述的神經(jīng)元還連接一個噪聲發(fā)生器。
[0009] 所述的神經(jīng)元為雙向禪合。
[0010] 采用了上述方案后，利用傳感器將物理或生物等信號轉(zhuǎn)換為直流電信號，作用到 相互禪合的神經(jīng)元或類神經(jīng)元電路中，當(dāng)禪合強(qiáng)度達(dá)到一定值后，神經(jīng)元或類神經(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W檢測到該種電路的輸出電壓或電流響 應(yīng)。
【附圖說明】
[0011] 圖1為現(xiàn)有檢測信號裝置結(jié)構(gòu)原理圖；
[0012] 圖2為本實用新型神經(jīng)元禪合結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013] 圖3為本實用新型神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)電路結(jié)構(gòu)圖；
[0014] 圖4為本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0015] 為詳細(xì)說明本實用新型的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所實現(xiàn)目的及效果，W下結(jié)合實施 方式并配合附圖詳予說明。
[0016] 神經(jīng)元之間通過相互禪合構(gòu)成神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。在神經(jīng)元之間的禪合強(qiáng)度較低而且 跨膜離子電流較弱時神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的放電行為是非同步的。當(dāng)神經(jīng)元的跨膜離子電流達(dá)到一 定闊值后，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的放電行為將達(dá)到同步；或者神經(jīng)元之間的禪合強(qiáng)度達(dá)到一定闊值 后，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的放電行為也將達(dá)到同步。
[0017] 如圖2所示，為神經(jīng)元禪合的結(jié)構(gòu)，左圖為單向禪合神經(jīng)元，右圖為雙向禪合神經(jīng) 元，
[0018]
[0019]
[0020]
[0021]
[0022]
[0023]
[0024] 表達(dá)式中，D是禪合強(qiáng)度，C是噪聲。
[0025] 圖3是對神經(jīng)元Nl雙向禪合時禪合電路（表達(dá)式中D項）的示意圖。單向禪合 時，對于神經(jīng)元Nl的禪合電路中沒有121運(yùn)個支路。神經(jīng)元的同步機(jī)制可W理解為神經(jīng)元 之間相互作用，協(xié)調(diào)的結(jié)果，當(dāng)禪合強(qiáng)度增大時意味著運(yùn)種相互作用增強(qiáng)，所W容易達(dá)到同 步；刺激電流Iext大了，和噪聲的作用類似，超過一個闊值則同步。
[00%] 實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雙向禪合強(qiáng)度減小時神經(jīng)元將不再同步；但是增大雙向禪合強(qiáng)度對 同步的神經(jīng)元同步?jīng)]有影響。實驗發(fā)現(xiàn)，雙向禪合神經(jīng)元同步所需的禪合強(qiáng)度比單向禪合 的要求要??；即雙向禪合的神經(jīng)元更容易同步。
[0027] 如圖4所示，采用最簡單的兩個神經(jīng)元禪合網(wǎng)絡(luò)，其中Nl和N2表示神經(jīng)元電路或 類神經(jīng)元電路，couple表示神經(jīng)元之間的禪合作用，Sl和S2表示傳感器，noise表示噪聲發(fā) 生器，sync虹onization detector表示同步判斷裝置。系統(tǒng)的工作原理如下：傳感器Sl和 S2將外界信號轉(zhuǎn)換為直流電信號（該技術(shù)為公知技術(shù)，不是本案要表述的重點）分別作用 于神經(jīng)元Nl和N2,神經(jīng)元Sl和S2的輸出信號是振蕩信號。在禪合單元couple的作用下，當(dāng) 傳感器的電信號達(dá)到足夠強(qiáng)度時，神經(jīng)元Sl和S2的輸出振蕩信號必將達(dá)到同步。否則，神 經(jīng)元Sl和S2的輸出振蕩信號可能為異步。利用同步判斷裝置sync虹onization detector 可W判斷神經(jīng)元SI和S2的信號是否達(dá)到同步并且輸出判斷結(jié)果。當(dāng)sync虹onization detector輸出同步的判斷結(jié)果，則可W認(rèn)為系統(tǒng)檢測到外界信號。
[0028] 在神經(jīng)元中加入noise噪聲發(fā)生器產(chǎn)生的噪聲或提高couple禪合作用的禪合強(qiáng) 度可W提高系統(tǒng)檢測外界信號的靈敏度，噪聲作用可W理解為輸入的能量水平高了，神經(jīng) 元之間相互作用可W施加更多的能量，所W容易達(dá)到同步；反過來，由于有了噪聲作用，對 同步所需的電信號強(qiáng)度W及禪合強(qiáng)度的闊值要求降低，可W檢測到強(qiáng)度更弱的電信號。
[0029] 作用到通過禪合電路couple聯(lián)系的神經(jīng)電路Nl和N2。調(diào)節(jié)禪合強(qiáng)度到恰當(dāng)值， 電信號的強(qiáng)度達(dá)到一定闊值的時候，神經(jīng)電路的輸出將達(dá)到同步。此時，可W認(rèn)為系統(tǒng)檢測 到了外界信號。
[0030] 運(yùn)種方法利用傳感器將物理或生物等信號轉(zhuǎn)換為直流電信號，作用到神經(jīng)元或類 神經(jīng)元電路中，可W得到該種電路的輸出電壓或電流響應(yīng)。當(dāng)傳感器轉(zhuǎn)換的電信號是微弱 電壓或電流時，神經(jīng)元或類神經(jīng)元電路的輸出響應(yīng)為靜息；在傳感器轉(zhuǎn)換的電信號超過一 定的闊值時，運(yùn)種輸出響應(yīng)表現(xiàn)為諸如SP化ing放電，bursting放電或者混濁放電。
[0031] 現(xiàn)有的信號檢測方法一種需要設(shè)計高精度的靈敏放大器，檢測電路的輸出是電壓 或電流等信號的幅值；另一種則是需要利用噪聲引起隨機(jī)共振，通過檢測信噪比來判斷是 否有信號輸出。本發(fā)明只要設(shè)計禪合的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)整禪合神經(jīng)元的禪合強(qiáng)度，當(dāng)直 流電信號達(dá)到一定的閥值就可達(dá)成同步而不是隨機(jī)共振，增加噪聲的作用只是為提供能量 使同步發(fā)生條件更低。
[0032] W上所述僅為本實用新型的實施例，并非因此限制本實用新型的專利范圍，凡是 利用本實用新型說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在 其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本實用新型的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)檢測信號裝置，其特征在于：包括至少兩個耦合的神經(jīng)元，每個神經(jīng)元 連接一個傳輸出直流電信號的傳感器，耦合的神經(jīng)元輸出端連接一個同步判斷裝置。2. 如權(quán)利要求1所述的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)檢測信號裝置，其特征在于：所述的神經(jīng)元還連接 一個噪聲發(fā)生器。3. 如權(quán)利要求1所述的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)檢測信號裝置，其特征在于：所述的神經(jīng)元為雙向 耦合。
【專利摘要】本實用新型公開神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)檢測信號裝置，包括至少兩個耦合的神經(jīng)元，每個神經(jīng)元連接一個傳輸出直流電信號的傳感器，耦合的神經(jīng)元輸出端連接一個同步判斷裝置；采用了上述方案后，利用傳感器將物理或生物等信號轉(zhuǎn)換為直流電信號，作用到相互耦合的神經(jīng)元或類神經(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到該種電路的輸出電壓或電流響應(yīng)。
【IPC分類】G05B13/04
【公開號】CN205375022
【申請?zhí)枴緾N201520468563
【發(fā)明人】馬軍, 王春妮, 任國棟
【申請人】蘭州理工大學(xué)
【公開日】2016年7月6日
【申請日】2015年7月1日