海馬椎體神經(jīng)細胞的FPGA建模與分析.pdf

1、神經(jīng)系統(tǒng)具有高維度、非線性、強耦合的特點，對神經(jīng)系統(tǒng)的研究是生命科學的重要組成部分。神經(jīng)元模型可取代動物實驗進行神經(jīng)系統(tǒng)動力學特定的定量研究。自從數(shù)字計算機問世以來，數(shù)值仿真作為生理實驗的補充，一直是研究神經(jīng)系統(tǒng)動力學特性的重要手段。然而，當前通用計算機的計算性能仍無法滿足對大規(guī)模的、復雜的生物神經(jīng)元網(wǎng)絡研究的要求。設計并行計算的數(shù)字邏輯電路可以解決模型復雜度與運算能力之間的矛盾，它可以準確、快速的計算出復雜非線性常微分方程的數(shù)值解。現(xiàn)

2、場可編程門陣列(FPGA)是數(shù)字集成電路芯片，具有可重新配置的特點。應用FPGA研究大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡的動力學特性具有重要意義。
　　 本文利用FPGA實現(xiàn)了海馬CA3區(qū)椎體細胞胞體--樹突兩房室的離子通道簡化電纜模型的數(shù)字電路模擬；對建模過程中的流水線結構設計、定點數(shù)據(jù)位寬和資源優(yōu)化等問題進行了深入研究。以輔助設計軟件DSP Builder為工具，提出了基于模塊的設計方案，建立了多種適用于神經(jīng)元網(wǎng)絡動力學機制分析研究的功能模塊，利

3、用寄存器陣列的方法實現(xiàn)了由化學突觸耦合形成的海馬椎體神經(jīng)元網(wǎng)絡的FPGA建模。
　　 將提出的設計方案在FPGA上實現(xiàn)，F(xiàn)PGA的運算結果通過USB數(shù)據(jù)總線上傳至計算機，并利用數(shù)模信號轉換技術將數(shù)據(jù)轉換為模擬電壓實時輸出，其與生物體真實神經(jīng)元放電具有一致的時間尺度。研究結果表明，F(xiàn)PGA計算結果與計算機仿真結果是一致的。
　　 本文建立的FPGA建模系統(tǒng)不僅為大規(guī)模神經(jīng)元網(wǎng)絡的研究提供了新的解決方案，而且為實現(xiàn)人工神經(jīng)元