基于神經元的分子通信是以神經細胞內生物化學分子作為信息載體,用于互聯(lián)納米機器以組成分布式納米網絡的通信技術。本文通過研究神經細胞內Ca~(2+)濃度的變化,及其對神經細胞膜電位的影響完成了神經元信息的編碼。本文利用微電極陣列(Microelectrode Array,MEA),在MEA芯片表面培養(yǎng)小鼠神經細胞,通過外部信號采集設備與微電極芯片上的引線相連,在計算機上得到神經細胞電信號波形,并將信號進行去噪處理得到明顯的電位峰值。為與實驗相互印證并對信息進行編碼,研究了神經元離子通道變化對細胞膜電位發(fā)放的影響,通過對神經細胞Ca~(2+)通道進行建模,得到Ca~(2+)通道變化與膜電位發(fā)放的關系。最后總結實驗與模擬數(shù)據(jù),利用神經細胞在不同Ca~(2+)濃度下會產生不同的峰值波形,并基于數(shù)字基帶調制的方法對峰值信號進行編碼。本文將神經細胞內Ca~(2+)影響下的膜電位峰值信號進行編碼,不但為微納米尺度通信的研究提供了一種思路,也為納米機器發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)提供了理論基礎。
【學位單位】：長春理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN91
【部分圖文】：

突觸后 10ms 會產生長期抑制[13]。1.2.2 國內研究現(xiàn)狀目前國內對于神經元間通信的研究機構主要有哈爾濱工程大學、北京郵電大學、天津大學、浙江大學等。哈爾濱工程大學的黎作鵬等人，對分子通信的定義和優(yōu)勢等方面進行了詳細研究，在他們在研究中將基于神經元的分子通信定義為長距分子通信。圖 1.1 是基于神經元的電化學信號傳輸機制，神經元間的信息傳遞主要通過電信號與化學信號轉換的方式進行，即神經元間可以通過神經元的軸突傳輸電信號外，還能以神經元的突觸與其他神經元的樹突間通過自由擴散神經遞質的形式將信息進行快速地傳輸。而且神經元髓鞘間有大約 1μm 的郎飛結，納米收發(fā)器能夠通過神經元的郎飛結連接到軸突，神經元細胞可以作為連接納米機器的信息通路[14]。天津大學通過針刺激神經元使其產生電信號，繼而對其進行編碼。圖 1.2 為針刺信號傳輸研究模型，根據(jù)在針刺下神經信息傳輸情況，建立了針刺信號傳輸?shù)那梆伨W絡模型，利用該模型研究針刺下神經元信息的傳導特性及編碼方法，提出了針刺發(fā)生作用的可能原因。通過模型發(fā)現(xiàn)網絡共振是針刺發(fā)生作用的可能機理，同時在模型研究的基礎上，用不同刺激方法和頻率針刺大鼠足三里后獲取神經電信號，將得到的不同信號通過時空編碼發(fā)現(xiàn)不同

突觸后 10ms 會產生長期抑制[13]。1.2.2 國內研究現(xiàn)狀目前國內對于神經元間通信的研究機構主要有哈爾濱工程大學、北京郵電大學、天津大學、浙江大學等。哈爾濱工程大學的黎作鵬等人，對分子通信的定義和優(yōu)勢等方面進行了詳細研究，在他們在研究中將基于神經元的分子通信定義為長距分子通信。圖 1.1 是基于神經元的電化學信號傳輸機制，神經元間的信息傳遞主要通過電信號與化學信號轉換的方式進行，即神經元間可以通過神經元的軸突傳輸電信號外，還能以神經元的突觸與其他神經元的樹突間通過自由擴散神經遞質的形式將信息進行快速地傳輸。而且神經元髓鞘間有大約 1μm 的郎飛結，納米收發(fā)器能夠通過神經元的郎飛結連接到軸突，神經元細胞可以作為連接納米機器的信息通路[14]。天津大學通過針刺激神經元使其產生電信號，繼而對其進行編碼。圖 1.2 為針刺信號傳輸研究模型，根據(jù)在針刺下神經信息傳輸情況，建立了針刺信號傳輸?shù)那梆伨W絡模型，利用該模型研究針刺下神經元信息的傳導特性及編碼方法，提出了針刺發(fā)生作用的可能原因。通過模型發(fā)現(xiàn)網絡共振是針刺發(fā)生作用的可能機理，同時在模型研究的基礎上，用不同刺激方法和頻率針刺大鼠足三里后獲取神經電信號，將得到的不同信號通過時空編碼發(fā)現(xiàn)不同

此外分子通信具有隨機性，這種隨機屬性主要是因為分子通信是基于分子完成通信的過程，而傳輸環(huán)境會對分子運動產生影響，出現(xiàn)不可預知的情況導致納米機器可能會對信息分子所攜帶的信息產生漏報，還有信息分子通常是一些化學分子，可能會隨時間的變化導致其性質發(fā)生變化等這些問題，都將導致分子通信在信息傳遞過程中出現(xiàn)誤差。2.3 分子通信的系統(tǒng)組成與實現(xiàn)分子通信中信息的傳播主要是通過主動運輸和被動擴散實現(xiàn)的，在不同的系統(tǒng)中，可能是兩者單獨完成信息傳遞，也可能是兩者同時配合完成信息傳輸。在主動運輸中，信息分子可以使用驅動蛋白等分子馬達來實現(xiàn)信息傳遞[20]；在被動運輸中，信息分子依照布朗運動由納米機器的發(fā)送端擴散至接收端。完成信息傳遞的系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：發(fā)送端、接收端、信息、載體和傳輸介質。分子通信中具體的通信過程與傳統(tǒng)通信類似，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)送端先對分子進行編碼后將信息分子發(fā)送到傳輸介質中，信息分子經介質從發(fā)送端傳輸至接收端，接收端檢測信息并將信息分子解碼為可以使用的信息，做出相應的反應，或發(fā)出驅動命令等以完成信息的完整傳遞[17]。
【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

1 黎作鵬;張菁;蔡紹濱;王勇;倪軍;;分子通信研究綜述[J];通信學報;2013年05期

2 韓堯;湯戎昱;周瑾;林秋霞;劉志強;陳威震;段翠密;王春蘭;王常勇;;基于微電極陣列的多通道電生理檢測系統(tǒng)的研制[J];生物醫(yī)學工程研究;2012年04期

3 顧強;汪萌芽;;成年大鼠伏隔核腦片神經元的細胞電生理特性[J];皖南醫(yī)學院學報;2011年04期

相關碩士學位論文 前6條

1 王金龍;基于HH模型神經元動作電位的模擬與實現(xiàn)[D];蘭州交通大學;2016年

2 龐賓琳;基于最大似然估計的動物運動轉向解碼研究[D];鄭州大學;2016年

3 尤楊;基于化學信號的分子通信原型系統(tǒng)優(yōu)化設計與實現(xiàn)[D];陜西師范大學;2015年

4 董蘭;無線通信系統(tǒng)中模擬網絡編碼的設計與研究[D];西安電子科技大學;2013年

5 林凌鵬;動態(tài)STDP突觸系統(tǒng)的建模研究與驗證[D];電子科技大學;2012年

6 許微;神經纖維動作電位傳遞速度的模型與分析[D];天津大學;2004年

本文編號：2868659