海馬椎體神經(jīng)細(xì)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(qiáng)耦合的特點(diǎn)，對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的研究是生命科學(xué)的重要組成部分。神經(jīng)元模型可取代動(dòng)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行神經(jīng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特定的定量研究。自從數(shù)字計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)，數(shù)值仿真作為生理實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，一直是研究神經(jīng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的重要手段。然而，當(dāng)前通用計(jì)算機(jī)的計(jì)算性能仍無(wú)法滿足對(duì)大規(guī)模的、復(fù)雜的生物神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)研究的要求。設(shè)計(jì)并行計(jì)算的數(shù)字邏輯電路可以解決模型復(fù)雜度與運(yùn)算能力之間的矛盾，它可以準(zhǔn)確、快速的計(jì)算出復(fù)雜非線性常微分方程的數(shù)值解?，F(xiàn)

2、場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)是數(shù)字集成電路芯片，具有可重新配置的特點(diǎn)。應(yīng)用FPGA研究大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)力學(xué)特性具有重要意義。
　　 本文利用FPGA實(shí)現(xiàn)了海馬CA3區(qū)椎體細(xì)胞胞體--樹(shù)突兩房室的離子通道簡(jiǎn)化電纜模型的數(shù)字電路模擬；對(duì)建模過(guò)程中的流水線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、定點(diǎn)數(shù)據(jù)位寬和資源優(yōu)化等問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。以輔助設(shè)計(jì)軟件DSP Builder為工具，提出了基于模塊的設(shè)計(jì)方案，建立了多種適用于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)機(jī)制分析研究的功能模塊，利

3、用寄存器陣列的方法實(shí)現(xiàn)了由化學(xué)突觸耦合形成的海馬椎體神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的FPGA建模。
　　 將提出的設(shè)計(jì)方案在FPGA上實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA的運(yùn)算結(jié)果通過(guò)USB數(shù)據(jù)總線上傳至計(jì)算機(jī)，并利用數(shù)模信號(hào)轉(zhuǎn)換技術(shù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬電壓實(shí)時(shí)輸出，其與生物體真實(shí)神經(jīng)元放電具有一致的時(shí)間尺度。研究結(jié)果表明，F(xiàn)PGA計(jì)算結(jié)果與計(jì)算機(jī)仿真結(jié)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(luò)的研究提供了新的解決方案，而且為實(shí)現(xiàn)人工神經(jīng)元