發(fā)布時(shí)間：2020-11-03 13:50

　　 基于神經(jīng)元的分子通信是以神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)生物化學(xué)分子作為信息載體,用于互聯(lián)納米機(jī)器以組成分布式納米網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)。本文通過(guò)研究神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)Ca~(2+)濃度的變化,及其對(duì)神經(jīng)細(xì)胞膜電位的影響完成了神經(jīng)元信息的編碼。本文利用微電極陣列(Microelectrode Array,MEA),在MEA芯片表面培養(yǎng)小鼠神經(jīng)細(xì)胞,通過(guò)外部信號(hào)采集設(shè)備與微電極芯片上的引線(xiàn)相連,在計(jì)算機(jī)上得到神經(jīng)細(xì)胞電信號(hào)波形,并將信號(hào)進(jìn)行去噪處理得到明顯的電位峰值。為與實(shí)驗(yàn)相互印證并對(duì)信息進(jìn)行編碼,研究了神經(jīng)元離子通道變化對(duì)細(xì)胞膜電位發(fā)放的影響,通過(guò)對(duì)神經(jīng)細(xì)胞Ca~(2+)通道進(jìn)行建模,得到Ca~(2+)通道變化與膜電位發(fā)放的關(guān)系。最后總結(jié)實(shí)驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù),利用神經(jīng)細(xì)胞在不同Ca~(2+)濃度下會(huì)產(chǎn)生不同的峰值波形,并基于數(shù)字基帶調(diào)制的方法對(duì)峰值信號(hào)進(jìn)行編碼。本文將神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)Ca~(2+)影響下的膜電位峰值信號(hào)進(jìn)行編碼,不但為微納米尺度通信的研究提供了一種思路,也為納米機(jī)器發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)提供了理論基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：長(zhǎng)春理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TN91
【部分圖文】：

突觸后 10ms 會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)期抑制[13]。1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)對(duì)于神經(jīng)元間通信的研究機(jī)構(gòu)主要有哈爾濱工程大學(xué)、北京郵電大學(xué)、天津大學(xué)、浙江大學(xué)等。哈爾濱工程大學(xué)的黎作鵬等人，對(duì)分子通信的定義和優(yōu)勢(shì)等方面進(jìn)行了詳細(xì)研究，在他們?cè)谘芯恐袑⒒谏窠?jīng)元的分子通信定義為長(zhǎng)距分子通信。圖 1.1 是基于神經(jīng)元的電化學(xué)信號(hào)傳輸機(jī)制，神經(jīng)元間的信息傳遞主要通過(guò)電信號(hào)與化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換的方式進(jìn)行，即神經(jīng)元間可以通過(guò)神經(jīng)元的軸突傳輸電信號(hào)外，還能以神經(jīng)元的突觸與其他神經(jīng)元的樹(shù)突間通過(guò)自由擴(kuò)散神經(jīng)遞質(zhì)的形式將信息進(jìn)行快速地傳輸。而且神經(jīng)元髓鞘間有大約 1μm 的郎飛結(jié)，納米收發(fā)器能夠通過(guò)神經(jīng)元的郎飛結(jié)連接到軸突，神經(jīng)元細(xì)胞可以作為連接納米機(jī)器的信息通路[14]。天津大學(xué)通過(guò)針刺激神經(jīng)元使其產(chǎn)生電信號(hào)，繼而對(duì)其進(jìn)行編碼。圖 1.2 為針刺信號(hào)傳輸研究模型，根據(jù)在針刺下神經(jīng)信息傳輸情況，建立了針刺信號(hào)傳輸?shù)那梆伨W(wǎng)絡(luò)模型，利用該模型研究針刺下神經(jīng)元信息的傳導(dǎo)特性及編碼方法，提出了針刺發(fā)生作用的可能原因。通過(guò)模型發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共振是針刺發(fā)生作用的可能機(jī)理，同時(shí)在模型研究的基礎(chǔ)上，用不同刺激方法和頻率針刺大鼠足三里后獲取神經(jīng)電信號(hào)，將得到的不同信號(hào)通過(guò)時(shí)空編碼發(fā)現(xiàn)不同

突觸后 10ms 會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)期抑制[13]。1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)對(duì)于神經(jīng)元間通信的研究機(jī)構(gòu)主要有哈爾濱工程大學(xué)、北京郵電大學(xué)、天津大學(xué)、浙江大學(xué)等。哈爾濱工程大學(xué)的黎作鵬等人，對(duì)分子通信的定義和優(yōu)勢(shì)等方面進(jìn)行了詳細(xì)研究，在他們?cè)谘芯恐袑⒒谏窠?jīng)元的分子通信定義為長(zhǎng)距分子通信。圖 1.1 是基于神經(jīng)元的電化學(xué)信號(hào)傳輸機(jī)制，神經(jīng)元間的信息傳遞主要通過(guò)電信號(hào)與化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換的方式進(jìn)行，即神經(jīng)元間可以通過(guò)神經(jīng)元的軸突傳輸電信號(hào)外，還能以神經(jīng)元的突觸與其他神經(jīng)元的樹(shù)突間通過(guò)自由擴(kuò)散神經(jīng)遞質(zhì)的形式將信息進(jìn)行快速地傳輸。而且神經(jīng)元髓鞘間有大約 1μm 的郎飛結(jié)，納米收發(fā)器能夠通過(guò)神經(jīng)元的郎飛結(jié)連接到軸突，神經(jīng)元細(xì)胞可以作為連接納米機(jī)器的信息通路[14]。天津大學(xué)通過(guò)針刺激神經(jīng)元使其產(chǎn)生電信號(hào)，繼而對(duì)其進(jìn)行編碼。圖 1.2 為針刺信號(hào)傳輸研究模型，根據(jù)在針刺下神經(jīng)信息傳輸情況，建立了針刺信號(hào)傳輸?shù)那梆伨W(wǎng)絡(luò)模型，利用該模型研究針刺下神經(jīng)元信息的傳導(dǎo)特性及編碼方法，提出了針刺發(fā)生作用的可能原因。通過(guò)模型發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共振是針刺發(fā)生作用的可能機(jī)理，同時(shí)在模型研究的基礎(chǔ)上，用不同刺激方法和頻率針刺大鼠足三里后獲取神經(jīng)電信號(hào)，將得到的不同信號(hào)通過(guò)時(shí)空編碼發(fā)現(xiàn)不同

此外分子通信具有隨機(jī)性，這種隨機(jī)屬性主要是因?yàn)榉肿油ㄐ攀腔诜肿油瓿赏ㄐ诺倪^(guò)程，而傳輸環(huán)境會(huì)對(duì)分子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，出現(xiàn)不可預(yù)知的情況導(dǎo)致納米機(jī)器可能會(huì)對(duì)信息分子所攜帶的信息產(chǎn)生漏報(bào)，還有信息分子通常是一些化學(xué)分子，可能會(huì)隨時(shí)間的變化導(dǎo)致其性質(zhì)發(fā)生變化等這些問(wèn)題，都將導(dǎo)致分子通信在信息傳遞過(guò)程中出現(xiàn)誤差。2.3 分子通信的系統(tǒng)組成與實(shí)現(xiàn)分子通信中信息的傳播主要是通過(guò)主動(dòng)運(yùn)輸和被動(dòng)擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)的，在不同的系統(tǒng)中，可能是兩者單獨(dú)完成信息傳遞，也可能是兩者同時(shí)配合完成信息傳輸。在主動(dòng)運(yùn)輸中，信息分子可以使用驅(qū)動(dòng)蛋白等分子馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息傳遞[20]；在被動(dòng)運(yùn)輸中，信息分子依照布朗運(yùn)動(dòng)由納米機(jī)器的發(fā)送端擴(kuò)散至接收端。完成信息傳遞的系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：發(fā)送端、接收端、信息、載體和傳輸介質(zhì)。分子通信中具體的通信過(guò)程與傳統(tǒng)通信類(lèi)似，以編碼、發(fā)送、傳輸、接收和解碼的步驟完成信息傳遞，如圖 2.1所示，發(fā)送端先對(duì)分子進(jìn)行編碼后將信息分子發(fā)送到傳輸介質(zhì)中，信息分子經(jīng)介質(zhì)從發(fā)送端傳輸至接收端，接收端檢測(cè)信息并將信息分子解碼為可以使用的信息，做出相應(yīng)的反應(yīng)，或發(fā)出驅(qū)動(dòng)命令等以完成信息的完整傳遞[17]。
【參考文獻(xiàn)】

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3 顧強(qiáng);汪萌芽;;成年大鼠伏隔核腦片神經(jīng)元的細(xì)胞電生理特性[J];皖南醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào);2011年04期

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本文編號(hào)：2868659