一种基于Hodgkin-Huxley模型的心脏浦肯野纤维忆阻微扰电路设计方法技术

一种基于Hodgkin‑Huxley模型的心脏浦肯野纤维忆阻微扰电路设计方法，按如下步骤：(S1)构建心脏Hodgkin‑Huxley浦肯野纤维模型的基本RC电路；(S2)建立包含一级忆阻器RK、二级忆阻器RNa的忆阻电路模型；(S3)设计钾离子通道在平衡点QK的微扰等效的LC忆阻电路；(S4)设计钠离子通道在平衡点QNa的微扰等效的LC忆阻电路；(S5)心脏Hodgkin‑Huxley模型中离子通道在平衡点Q的微扰等效忆阻电路设计。本发明专利技术分析Hodgkin‑Huxley模型的心脏浦肯野纤维忆阻特性，通过电路设计神经元仿生记忆功能，扩展了人工神经网络在非线性动力学领域应用，对智能信息处理及复杂网络控制的发展具有科学意义和应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Hodgkin-Huxley模型的心脏浦肯野纤维忆阻微扰电路设计方法
本专利技术属于细胞神经网络领域，它主要研究心脏浦肯野纤维忆阻特性，具体是细胞触突中的钾离子、钠离子忆阻现象存在性及相应电路设计。
技术介绍
20世纪50年代，英国生理学家霍奇金(Hodgkin)和赫胥黎(Huxley)在生物神经传导方面进行了深入而富有成果的实验，他们利用电压钳技术获得了巨大乌贼触突电生理活动的大量实验数据，建立了神经元薄膜激发的数学模型，并给出了不同电压下的离子电流量化公式，即著名的Hodgkin-Huxley模型。该模型成功地再现和预测了某些动物神经纤维的电活动，理论分析与巨大乌贼触突中的脉冲传播基本吻合。在动物神经组织中，心肌细胞与静息电位和活动电位(也称为跨膜电位)的变化有关。研究心脏心肌电生理对进一步了解心肌的生理特性具有重要意义。心肌细胞中含有丰富肌原纤维的工作细胞，它具有收缩功能，称为工作细胞。它属于非自治细胞，不能产生活性，但具有兴奋性和传导能力，包括心房肌细胞和心室肌细胞。另外心脏神经中还具有产生节律性兴奋的能力被称为起搏器的细胞，浦肯野(Purkinje)细胞就属于这种可以产生节律收缩功能，以自发放电的速度跳动，对控制心律的活动起着重要作用。在人体中特殊的心肌传导系统包括窦房结、房室结、房室束和浦肯野纤维，图1为人体心脏结构，其中浦肯野纤维分布在心室内膜末端。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种基于Hodgkin-Huxley模型的心脏浦肯野纤维忆阻微扰电路设计方法，分析心脏浦肯野纤维细胞与脑神经有相类似的记忆功能，以心脏Hodgkin-Huxley模型为研究对象，分析了钾离子通道和钠离子通道中弱记忆特性的存在性，并分别设计了在平衡点时小信号的微扰下心脏Hodgkin-Huxley模型忆阻电路，通过理论推导与计算完成相关电子元器件参数设置。本专利技术通过以下技术方案予以实现的。本专利技术所述的一种基于Hodgkin-Huxley模型的心脏浦肯野纤维忆阻微扰电路设计方法，按如下步骤：(S1)：构建心脏Hodgkin-Huxley浦肯野纤维模型的基本RC电路；心脏Hodgkin-Huxley浦肯野纤维模型描述为：其中IK为钾离子电流，INa为钠离子电流，IAn为氯离子电流，Im为外刺激电流，Cm为跨膜电容，Em为膜电位，t为时间变量；以基本的电阻与电容元器件构建该模型的模拟电路。(S2)：建立包含一级忆阻器RK、二级忆阻器RNa的忆阻电路模型：将(S1)中Hodgkin-Huxley模型RC电路中的和位置用一级忆阻器RK替换、gNa位置用二级忆阻器RNa替换，建立包含一级忆阻器RK、二级忆阻器RNa的忆阻Hodgkin-Huxley电路模型。(S3)：设计钾离子通道在平衡点QK的微扰等效的LC忆阻电路；包括一个电感L(K)、一个电阻R1(K)、一个电阻R2(K)，其中，电感L(K)与电阻R1(K)串联后再与电阻R2(K)并联。并用其替换步骤(S2)中的一级忆阻器RK，形成在平衡点QK的微扰等效的LC忆阻电路。(S4)：设计钠离子通道在平衡点QNa的微扰等效的LC忆阻电路；包括一个电感L1(Na)、一个电阻R1(Na)、一个电感L2(Na)、一个电阻R3(Na)、一个电阻R3(Na)，其中，电感L1(Na)与电阻R1(Na)串联、电感L2(Na)与电阻R2(Na)串联，再将两者与电阻R3(Na)并联。并用其替换步骤(S2)中的二级忆阻器RNa，形成在平衡点QNa的微扰等效的LC忆阻电路。(S5)：心脏Hodgkin-Huxley模型中离子通道在平衡点Q的微扰等效忆阻电路设计。将(S3)的钾离子通道在平衡点QK的微扰等效的LC忆阻电路替换(S2)一级忆阻器RK，(S4)的钠离子通道在平衡点QNa的微扰等效的LC忆阻电路替换(S2)二级忆阻器RNa，形成心脏Hodgkin-Huxley模型中离子通道在平衡点Q的整体微扰等效忆阻电路。本专利技术的具体推理设计步骤如下：在心肌神经细胞中，浦肯野细胞膜充满电荷的金属离子浓度很大，大多数是钠离子(Na+)，钾离子(K+)和少量的氯离子(CL－或An－)，细胞膜分离的液体含有不同浓度，这样产生电位差形成内部和外部的细胞间运动。1、构建心脏Hodgkin-Huxley浦肯野纤维模型的基本RC电路。心脏浦肯野纤维薄膜总电流(Im)是由离子电流和流入薄膜容量的电流之和得出的。根据欧姆定律、法拉第定律和基尔霍夫定律，Hodgkin-Huxley模型方程如下：其中：(1)式和(2)式中各变量为：Im为外刺激电流，INa、IK、IAn分别为钠离子电流、钾离子电流和氯化物电流；Em为膜电位，ENa、EK、EAn分别为钠离子平衡电位、钾离子平衡电位、氯化物平衡电位。Cm为跨膜电容，gNa、gK1、gK2、gAn分别为钠离子通道电导、两个钾离子通道电导、氯化物离子通道电导，t为时间变量。细胞膜离子交换可以通过离子通道开闭操作来完成，心脏Hodgkin-Huxley模型可以准确地描述心脏浦肯野纤维的膜电位。图2显示心脏Hodgkin-Huxley浦肯野纤维模型的基本RC(电阻和电容)电路。2、建立包含一级忆阻器RK、二级忆阻器RNa的忆阻电路模型。(1)心脏Hodgkin-Huxley浦肯野纤维模型跨膜电压V及相关变量描述。由于Hodgkin-Huxley方程中存在负静息电位Er，所以INa、IK之间不存在耦合，当将V定义为跨膜电压时，vNa、vK、vAn分别为钠离子、钾离子、氯离子的平衡势，因此电压整合方程如下：从公式(3)中我们可以得到：此外，还存在漏电导，例如氯离子，但因为氯离子电流量非常小，因此通常IAn值被简化为IAn＝0。结合公式(1)-(4)，我们可以得到以下结果：其中Cm＝12μF/cm2，ENa＝40mV，EK＝-100mV，且变量m、h、n分别为钠离子激活变量、钠离子抑制变量和钾离子激活变量。它们由一阶偏微分方程组成，所有数学表达式αm(V)、βm(V)、αh(V)、βh(V)、αn(V)、βn(V)都是跨膜电压V的非负函数，定义为：(2)通过理论推导和数值仿真确定RK是一级忆阻器。从图2电路可以看出，钾离子由两个电导(gK1和gK2)组成，根据电流iK与电压vK的关系，将vK和iK符号表达式更改如下：iK＝GK(x1)vK(8)且对上(8)-(9)符号进行如下变化：从等式(9)并结合等式(6)可以看出，gK1只是V的指数函数，它不具有记忆电阻特性，而gK2是变量n的相关函数，可通过电流iK变化测试是否具有记忆器特性。图3显示单独曲线，其中电流选择i＝Asin(ωt)。从图3可以看出是通过零点的封闭的环形“8”字曲线，并随着频率ω的增大逐步包络面积缩小，具有明显的忆阻器紧滞环特性。图4是一条与和一起绘制的vK-iK曲线，发现只有很弱的紧迟滞环存在。本专利技术是合成了和作为研究的记忆器。根据上述公式(10)定义的新符号，结合公式(7)变量微分方程定义，可得到：其中EK＝-100mV由于公式(9)中GK只包含一个变量x1，因此钾离子形成的电阻器RK被称为一级忆阻器。(3)通过理论推导和数值仿真确定RNa是二级忆阻器。等式(6)列出钠离子gNa是由两个变量的多项式组成的，根本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Hodgkin‑Huxley模型的心脏浦肯野纤维忆阻微扰电路设计方法，其特征是按如下步骤：(S1)：构建心脏Hodgkin‑Huxley浦肯野纤维模型的基本RC电路；心脏Hodgkin‑Huxley浦肯野纤维模型描述为：

【技术特征摘要】
1.一种基于Hodgkin-Huxley模型的心脏浦肯野纤维忆阻微扰电路设计方法，其特征是按如下步骤：(S1)：构建心脏Hodgkin-Huxley浦肯野纤维模型的基本RC电路；心脏Hodgkin-Huxley浦肯野纤维模型描述为：其中IK为钾离子电流，INa为钠离子电流，IAn为氯离子电流，Im为外刺激电流，Cm为跨膜电容，Em为膜电位，t为时间变量；以基本的电阻与电容元器件构建该模型的模拟电路；(S2)：建立包含一级忆阻器RK、二级忆阻器RNa的忆阻电路模型：将(S1)中Hodgkin-Huxley模型RC电路中的和位置用一级忆阻器RK替换、gNa位置用二级忆阻器RNa替换，建立包含一级忆阻器RK、二级忆阻器RNa的忆阻Hodgkin-Huxley电路模型；(S3)：设计钾离子通道在平衡点QK的微扰等效的LC忆阻电路；包括一个电感L(K)、一个电阻R1(K)、一个电阻R2(K)，其中，电感L(K)与电阻R1(K)串联后再...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴政泽，张小红，钟小勇，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：江西,36