神經(jīng)核團(tuán)異常放電的數(shù)值模擬與FPGA實現(xiàn)

王超，逯邁

蘭州交通大學(xué)光電技術(shù)與智能控制教育部重點實驗室，甘肅蘭州730070

前言

功能相似的神經(jīng)細(xì)胞聚集成界限明顯的群落，稱為神經(jīng)核團(tuán)或神經(jīng)節(jié)。基底神經(jīng)節(jié)，簡稱基底節(jié)，是大腦皮層下一系列神經(jīng)核團(tuán)的總稱，是神經(jīng)系統(tǒng)中調(diào)節(jié)機(jī)體運動的重要結(jié)構(gòu)，與隨意運動的產(chǎn)生、肌肉緊張和感覺信息的處理等直接相關(guān)，同時還被認(rèn)為與腦的感知、認(rèn)知、記憶、學(xué)習(xí)等機(jī)制有著密切的聯(lián)系［1］。基底節(jié)主要包括紋狀體、蒼白球外側(cè)（the External Segment of the Globus Pallidus, GPe）、蒼白球內(nèi)側(cè)（the Internal Segment of the Globus Pallidus,GPi）、黑質(zhì)（the Substantia Nigra, SN）、丘腦底核（Subthalamic Nucleus, STN）等核團(tuán)。基底神經(jīng)節(jié)的病變會導(dǎo)致帕金森病、亨廷頓舞蹈病、癲癇等運動紊亂性疾病，是腦神經(jīng)科學(xué)研究的重點［2］。

建立基底節(jié)的數(shù)學(xué)模型并利用計算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬有助于模擬基底節(jié)中各神經(jīng)核團(tuán)的放電特性及其運動控制功能等［3］。1989年，Albin 等［4］提出宏觀的基底節(jié)直接-間接通路模型，研究帕金森病的發(fā)病機(jī)制；2001年，Gurney等［5］提出基底節(jié)的選擇-控制模型，模擬基底節(jié)的選擇-控制功能；2004年，Rubin等［6］提出一個精細(xì)的基底節(jié)神經(jīng)核團(tuán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并研究深部腦刺激治療帕金森病的作用機(jī)理；2001年，Humphries 等［7］利用Integrate-Fire（IF）神經(jīng)元模型搭建基底節(jié)核團(tuán)網(wǎng)絡(luò)，模擬基底節(jié)的動作選擇功能和振蕩放電；2013年，Thibeault等［8］利用Izhikevich神經(jīng)元模型搭建基底節(jié)核團(tuán)網(wǎng)絡(luò)并模擬帕金森病不同放電狀態(tài)。

近年來利用硬件模擬神經(jīng)元及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的放電特性也得到越來越多的關(guān)注。2004年，Grass 等［9］利用Xilinx 公司的FPGA 芯片實現(xiàn)了Hodgkin-Huxley（HH）神經(jīng)元模型；2008年，Cassidy 等［10］提出利用Izhikevich神經(jīng)元模型硬件實現(xiàn)大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法；……