基于神经元的分子通信技术研究
发布时间：2020-11-03 13:50
基于神经元的分子通信是以神经细胞内生物化学分子作为信息载体,用于互联纳米机器以组成分布式纳米网络的通信技术。本文通过研究神经细胞内Ca~(2+)浓度的变化,及其对神经细胞膜电位的影响完成了神经元信息的编码。本文利用微电极阵列(Microelectrode Array,MEA),在MEA芯片表面培养小鼠神经细胞,通过外部信号采集设备与微电极芯片上的引线相连,在计算机上得到神经细胞电信号波形,并将信号进行去噪处理得到明显的电位峰值。为与实验相互印证并对信息进行编码,研究了神经元离子通道变化对细胞膜电位发放的影响,通过对神经细胞Ca~(2+)通道进行建模,得到Ca~(2+)通道变化与膜电位发放的关系。最后总结实验与模拟数据,利用神经细胞在不同Ca~(2+)浓度下会产生不同的峰值波形,并基于数字基带调制的方法对峰值信号进行编码。本文将神经细胞内Ca~(2+)影响下的膜电位峰值信号进行编码,不但为微纳米尺度通信的研究提供了一种思路,也为纳米机器发送端发送数据提供了理论基础。
【学位单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN91
【部分图文】：
突触后 10ms 会产生长期抑制[13]。1.2.2 国内研究现状目前国内对于神经元间通信的研究机构主要有哈尔滨工程大学、北京邮电大学、天津大学、浙江大学等。哈尔滨工程大学的黎作鹏等人，对分子通信的定义和优势等方面进行了详细研究，在他们在研究中将基于神经元的分子通信定义为长距分子通信。图 1.1 是基于神经元的电化学信号传输机制，神经元间的信息传递主要通过电信号与化学信号转换的方式进行，即神经元间可以通过神经元的轴突传输电信号外，还能以神经元的突触与其他神经元的树突间通过自由扩散神经递质的形式将信息进行快速地传输。而且神经元髓鞘间有大约 1μm 的郎飞结，纳米收发器能够通过神经元的郎飞结连接到轴突，神经元细胞可以作为连接纳米机器的信息通路[14]。天津大学通过针刺激神经元使其产生电信号，继而对其进行编码。图 1.2 为针刺信号传输研究模型，根据在针刺下神经信息传输情况，建立了针刺信号传输的前馈网络模型，利用该模型研究针刺下神经元信息的传导特性及编码方法，提出了针刺发生作用的可能原因。通过模型发现网络共振是针刺发生作用的可能机理，同时在模型研究的基础上，用不同刺激方法和频率针刺大鼠足三里后获取神经电信号，将得到的不同信号通过时空编码发现不同
突触后 10ms 会产生长期抑制[13]。1.2.2 国内研究现状目前国内对于神经元间通信的研究机构主要有哈尔滨工程大学、北京邮电大学、天津大学、浙江大学等。哈尔滨工程大学的黎作鹏等人，对分子通信的定义和优势等方面进行了详细研究，在他们在研究中将基于神经元的分子通信定义为长距分子通信。图 1.1 是基于神经元的电化学信号传输机制，神经元间的信息传递主要通过电信号与化学信号转换的方式进行，即神经元间可以通过神经元的轴突传输电信号外，还能以神经元的突触与其他神经元的树突间通过自由扩散神经递质的形式将信息进行快速地传输。而且神经元髓鞘间有大约 1μm 的郎飞结，纳米收发器能够通过神经元的郎飞结连接到轴突，神经元细胞可以作为连接纳米机器的信息通路[14]。天津大学通过针刺激神经元使其产生电信号，继而对其进行编码。图 1.2 为针刺信号传输研究模型，根据在针刺下神经信息传输情况，建立了针刺信号传输的前馈网络模型，利用该模型研究针刺下神经元信息的传导特性及编码方法，提出了针刺发生作用的可能原因。通过模型发现网络共振是针刺发生作用的可能机理，同时在模型研究的基础上，用不同刺激方法和频率针刺大鼠足三里后获取神经电信号，将得到的不同信号通过时空编码发现不同
此外分子通信具有随机性，这种随机属性主要是因为分子通信是基于分子完成通信的过程，而传输环境会对分子运动产生影响，出现不可预知的情况导致纳米机器可能会对信息分子所携带的信息产生漏报，还有信息分子通常是一些化学分子，可能会随时间的变化导致其性质发生变化等这些问题，都将导致分子通信在信息传递过程中出现误差。2.3 分子通信的系统组成与实现分子通信中信息的传播主要是通过主动运输和被动扩散实现的，在不同的系统中，可能是两者单独完成信息传递，也可能是两者同时配合完成信息传输。在主动运输中，信息分子可以使用驱动蛋白等分子马达来实现信息传递[20]；在被动运输中，信息分子依照布朗运动由纳米机器的发送端扩散至接收端。完成信息传递的系统主要由以下几个部分组成：发送端、接收端、信息、载体和传输介质。分子通信中具体的通信过程与传统通信类似，以编码、发送、传输、接收和解码的步骤完成信息传递，如图 2.1所示，发送端先对分子进行编码后将信息分子发送到传输介质中，信息分子经介质从发送端传输至接收端，接收端检测信息并将信息分子解码为可以使用的信息，做出相应的反应，或发出驱动命令等以完成信息的完整传递[17]。
【参考文献】
本文编号：2868659
【学位单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN91
【部分图文】：
突触后 10ms 会产生长期抑制[13]。1.2.2 国内研究现状目前国内对于神经元间通信的研究机构主要有哈尔滨工程大学、北京邮电大学、天津大学、浙江大学等。哈尔滨工程大学的黎作鹏等人，对分子通信的定义和优势等方面进行了详细研究，在他们在研究中将基于神经元的分子通信定义为长距分子通信。图 1.1 是基于神经元的电化学信号传输机制，神经元间的信息传递主要通过电信号与化学信号转换的方式进行，即神经元间可以通过神经元的轴突传输电信号外，还能以神经元的突触与其他神经元的树突间通过自由扩散神经递质的形式将信息进行快速地传输。而且神经元髓鞘间有大约 1μm 的郎飞结，纳米收发器能够通过神经元的郎飞结连接到轴突，神经元细胞可以作为连接纳米机器的信息通路[14]。天津大学通过针刺激神经元使其产生电信号，继而对其进行编码。图 1.2 为针刺信号传输研究模型，根据在针刺下神经信息传输情况，建立了针刺信号传输的前馈网络模型，利用该模型研究针刺下神经元信息的传导特性及编码方法，提出了针刺发生作用的可能原因。通过模型发现网络共振是针刺发生作用的可能机理，同时在模型研究的基础上，用不同刺激方法和频率针刺大鼠足三里后获取神经电信号，将得到的不同信号通过时空编码发现不同
突触后 10ms 会产生长期抑制[13]。1.2.2 国内研究现状目前国内对于神经元间通信的研究机构主要有哈尔滨工程大学、北京邮电大学、天津大学、浙江大学等。哈尔滨工程大学的黎作鹏等人，对分子通信的定义和优势等方面进行了详细研究，在他们在研究中将基于神经元的分子通信定义为长距分子通信。图 1.1 是基于神经元的电化学信号传输机制，神经元间的信息传递主要通过电信号与化学信号转换的方式进行，即神经元间可以通过神经元的轴突传输电信号外，还能以神经元的突触与其他神经元的树突间通过自由扩散神经递质的形式将信息进行快速地传输。而且神经元髓鞘间有大约 1μm 的郎飞结，纳米收发器能够通过神经元的郎飞结连接到轴突，神经元细胞可以作为连接纳米机器的信息通路[14]。天津大学通过针刺激神经元使其产生电信号，继而对其进行编码。图 1.2 为针刺信号传输研究模型，根据在针刺下神经信息传输情况，建立了针刺信号传输的前馈网络模型，利用该模型研究针刺下神经元信息的传导特性及编码方法，提出了针刺发生作用的可能原因。通过模型发现网络共振是针刺发生作用的可能机理，同时在模型研究的基础上，用不同刺激方法和频率针刺大鼠足三里后获取神经电信号，将得到的不同信号通过时空编码发现不同
此外分子通信具有随机性，这种随机属性主要是因为分子通信是基于分子完成通信的过程，而传输环境会对分子运动产生影响，出现不可预知的情况导致纳米机器可能会对信息分子所携带的信息产生漏报，还有信息分子通常是一些化学分子，可能会随时间的变化导致其性质发生变化等这些问题，都将导致分子通信在信息传递过程中出现误差。2.3 分子通信的系统组成与实现分子通信中信息的传播主要是通过主动运输和被动扩散实现的，在不同的系统中，可能是两者单独完成信息传递，也可能是两者同时配合完成信息传输。在主动运输中，信息分子可以使用驱动蛋白等分子马达来实现信息传递[20]；在被动运输中，信息分子依照布朗运动由纳米机器的发送端扩散至接收端。完成信息传递的系统主要由以下几个部分组成：发送端、接收端、信息、载体和传输介质。分子通信中具体的通信过程与传统通信类似，以编码、发送、传输、接收和解码的步骤完成信息传递，如图 2.1所示，发送端先对分子进行编码后将信息分子发送到传输介质中，信息分子经介质从发送端传输至接收端，接收端检测信息并将信息分子解码为可以使用的信息，做出相应的反应，或发出驱动命令等以完成信息的完整传递[17]。
【参考文献】
相关期刊论文 前3条
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本文编号：2868659
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