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神经核团的异常放电与多种神经性疾病有着重要联系,模拟神经核团网络的不同放电状态对深入研究相关神经性疾病的发病机制,探究治疗方式的作用机理,模仿人脑的运动功能等具有重要的应用价值。近年来随着我国逐渐步入老龄化社会,我国帕金森病患者人数逐年上升,给社会和家庭带来沉重的医疗负担,利用计算机等科技手段研究帕金森病等神经性疾病并改进治疗方法对减轻我国社会和家庭的负担具有重要的意义。基底神经节中苍白球外侧,丘脑底核,苍白球内侧和丘脑构成的神经核团网络的异常放电与帕金森病的运动障碍有着直接关系。本文主要以神经核团作为研究对象,采用Izhikevich神经元模型模拟各神经核团的神经元放电,利用化学突触连接各神经元,构建神经核团网络,对神经核团网络的正常状态和异常状态两种放电模式进行模拟,然后将程序导入现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)开发板进行硬件实现。具体内容如下:(1)神经核团网络、神经元和突触的基础知识概述。主要介绍了神经核团网络的生理特性,连接结构和神经信号的传递机制;介绍神经元动作电位的相关特性,归纳整理了8种神经元模型并分析它们各自的优缺点,重点介绍了Izhikevich模型及其可以实现的多种放电波形;介绍了三种突触模型,并分析化学突触的兴奋性与抑制性传递机理。(2)神经核团网络的仿真模拟研究。利用Simulink软件对Izhikevich模型和化学突触搭建的神经核团网络进行仿真模拟。介绍Izhikevich线性简化模型的简化原理,然后利用DSP Builder软件对线性简化模型和化学突触搭建的神经核团网络进行仿真模拟。选用标准误差公式对比两种软件的数值模拟波形,分析线性简化模型的误差。结果表明,两种软件模拟的各神经元的标准误差均小于0.1,验证了两者建模的一致性。(3)神经核团网络的硬件实现。利用DSP Builder和Quartus II软件联合编译的方法,将编译完成的程序导入FPGA开发板,通过示波器观察神经核团网络的放电波形。通过丘脑中继可靠性指标RI和医学病理实验研究分析神经核团网络的放电状态。结果表明,神经核团在正常状态的RI值为1,异常状态的RI值为0.3,小于正常值0.6,符合帕金森病的RI判定指标。同时观察到在异常状态时,丘脑底核放电频率加快,苍白球内侧核团和苍白球外侧核团出现明显的簇放电,符合帕金森病的相关医学记录,证明模拟的神经核团网络的异常状态表现为帕金森病的一种放电状态。