[发明专利]基于FPGA的神经元离子通道动态特性实验平台

说明书

本发明提供一种基于FPGA的神经元离子通道动态特性实验平台，该实验平台以FPGA为下位机，配助以C++编写的人机操作界面进行离子通道动态特性相关波形的显示及参数设定。其中FPGA用于对离子通道模型的仿真实现，上位机通过人机操作界面进行参数设定，进而分析神经元离子通道的动态特性。本发明的效果是运用基于高速运算的FPGA神经元仿真实验平台，实现了生物神经元的无动物仿真实验，并且通过上位机的人机操作界面对神经元的膜电位、膜面积等参数进行设定，可以分析不同情况下神经元的放电特性，进而分析离子通道的动态特性。

技术领域

本发明涉及生物医学工程技术，特别是一种基于FPGA的神经元离子通道动态特性实验平台.

背景技术

神经系统是由数量众多的神经元组成的，神经元又被称为神经细胞，是神经系统的结构单位与功能单位。神经元细胞膜上包含着不同类型的离子通道，具体包括钠离子通道、钾离子通道以及对少许无机盐离子起控制作用的漏通道。不同离子通道上分布着门控蛋白，对通过通道的离子起约束作用，这使得神经元细胞膜对不同的离子有了选择通透性，正是神经元细胞膜的这种离子选择通透性，使得神经元可以产生丰富的电活动。神经系统的众多高级功能无不与相关神经元放电有关，因此研究神经元离子通道的动态特性有重要意义。

在研究神经元的方式中，生物实验由于其高昂的成本以及伦理道德的底线而存在一定的局限性；而专用电路开发周期长、费用高，不适于神经元网络灵活多变的特点；因此神经元突触可塑性变化在神经元网络下的高性能硬件实现，是一个全新的研究方向。

现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)技术是专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路技术，其解决了定制电路的不足以及以往可编程器件门电路数有限的问题，在以生物神经系统为对象的计算神经科学领域逐渐受到青睐。相对于模拟电路平台开发周期长等缺点，FPGA因其集成度高、体积小、并行计算、可重复配置、编程灵活、可靠性好、低功耗等优点使其能够实现真实时间尺度下神经元离子通道的动态特性变化和分析。应用能够并行运算的FPGA，可以完成真实时间尺度下神经元离子通道的仿真和动态分析，可以避免真实动物实验中出现的差错以及减小花费。综合来看，神经元FPGA硬件实现技术在类脑计算、人工智能等很多方面有着重要的应用价值。

现有的技术还处于基础阶段，因此仍存在以下缺点：尚无基于FPGA的功能完善的专用神经元离子通道动态特性研究平台；运用FPGA实现的硬件仿真离子通道模型结构比较简单，精度不高；人机界面尚未完善，无法进行实时的控制操作与数据分析，因此对FPGA硬件神经元离子通道动态特性的操作分析比较困难。

发明内容

针对上述其技术不足之处，本发明的目的在于提供一种基于FPGA的神经元离子通道动态特性实验平台，使研究人员可以灵活轻便的完成不同离子通道密度、膜面积，及不同噪声下的神经元放电特性。通过操作界面直观读取数据，为研究神经元的信息传递，信息监测，非线性特性提供重要理论依据。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种基于FPGA的神经元离子通道动态特性实验平台，其中，该实验平台包括有：上位机、FPGA开发板、神经元或模型，所述FPGA开发板包括有USB通讯模块、FPGA芯片I、GPIO模块I、GPIO模块II,上位机具有人机操作界面；在FPGA芯片I中建立离子通道模型，通过DSP Builder设计离子通道模型，并采用结构性语言描述，由QUARTUS II编译下载得到；人机操作界面其一方面通过USB连接线与FPGA开发板上的USB通讯模块相连，进而通过I/O端口与FPGA芯片I进行通讯，另一方面直接与神经元或模型相连进行实时数据交换，在人机操作界面设定神经元或模型的膜电压、膜面积参数，以调整所述离子通道状态转换概率，离子通道状态转换概率的变化会导致离子电导及通道数目的变化，由离子通道数目的变化便能够得到钾离子、钠离子各自的电导曲线，通过传输到人机操作界面中中的离子通道状态转换概率数据，能够显示离子通道状态转换概率的变化情况，离子通道状态转换概率体现了离子通道的随机动态特性。